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KR102475412B1 - 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템 및 그것의 페일 세이프 방법 - Google Patents

페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템 및 그것의 페일 세이프 방법 Download PDF

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KR102475412B1
KR102475412B1 KR1020200176524A KR20200176524A KR102475412B1 KR 102475412 B1 KR102475412 B1 KR 102475412B1 KR 1020200176524 A KR1020200176524 A KR 1020200176524A KR 20200176524 A KR20200176524 A KR 20200176524A KR 102475412 B1 KR102475412 B1 KR 102475412B1
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현대오토에버 주식회사
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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템은, 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 저전압을 생성하고, 생성된 상기 저전압을 복수의 차량 부하 또는 보조 배터리에 공급하는 DC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터의 상태에 따라, 상기 보조 배터리의 전압이 균형을 유지하도록 전압 밸런싱을 수행하거나, 또는 상기 DC-DC 컨버터의 적어도 일부 구성에 대응하는 스위칭 소자와 복수의 가변 수동 소자를 이용하여 외부로부터 전달받은 중전압을 강압하여 저전압을 생성하고, 생성된 상기 저전압을 상기 차량 부하에 공급하는 배터리 이퀄라이저 시스템, 및 상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템에 연결되고, 상기 고전압을 강압하여 상기 중전압을 생성하고, 생성된 상기 중전압을 상기 배터리 이퀄라이저 시스템에 전달하는 벅 컨버터를 포함한다.

Description

페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템 및 그것의 페일 세이프 방법{POWER SUPPLY SYSTEM OF ELETRIC VHIECLE WITH FAIL SAFE FUNCTION AND FAIL SAFE METHOD THEREOF}
본 발명은 전기 차량의 전원 공급 시스템에 관한 것으로, 일례로 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템 및 그것의 페일 세이프 방법에 관한 것이다.
최근에는 지구 환경 문제를 해소하기 위해 전기 차량이 지속적으로 개발되고 있다. 전가 차량은 승용차, 및 버스 등의 다양한 형태로 개발되고 있다.
일반적으로 전기 버스의 경우, 고전압 배터리, 및 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 24V의 메인 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 전원 공급 시스템을 구비하고 있다. 이러한 전기 버스는 24V의 메인 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터에 고장 상황이 발생한 경우, 차량 부하에 24V의 메인 전압을 안정적으로 공급하지 못하며, 고장 정비가 완료되기 전 차량 운행이 불가한 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2008-0025950호
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 메인 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터의 고장시, 다른 회로 구성을 이용하여 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 메인 전압을 공급하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템 및 그것의 페일 세이프 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템은, 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 저전압을 생성하고, 생성된 상기 저전압을 복수의 차량 부하 또는 보조 배터리에 공급하는 DC-DC 컨버터; 상기 DC-DC 컨버터의 상태에 따라, 상기 보조 배터리의 전압이 균형을 유지하도록 전압 밸런싱을 수행하거나, 또는 상기 DC-DC 컨버터의 적어도 일부 구성에 대응하는 스위칭 소자와 복수의 가변 수동 소자를 이용하여 외부로부터 전달받은 중전압을 강압하여 저전압을 생성하고, 생성된 상기 저전압을 상기 차량 부하에 공급하는 배터리 이퀄라이저 시스템; 및 상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템에 연결되고, 상기 고전압을 강압하여 상기 중전압을 생성하고, 생성된 상기 중전압을 상기 배터리 이퀄라이저 시스템에 전달하는 벅 컨버터;를 포함한다.
상기 복수의 가변 수동 소자는, 기설정된 디지털 제어 방식에 따라 저항값이 가변되는 가변 저항, 상기 디지털 제어 방식에 따라 커패시턴스가 가변되는 가변 커패시터, 및 상기 디지털 제어 방식에 따라 인덕턴스가 가변되는 가변 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 고전압 배터리의 양전압단과 상기 DC-DC 컨버터의 상위단 사이에 연결되는 제1 배터리 연결 스위치와, 상기 고전압 배터리의 음전압단과 상기 DC-DC 컨버터의 하위단 사이에 연결되는 제2 배터리 연결 스위치를 더 포함하고, 상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 제1 배터리 연결 스위치와 상기 제2 배터리 연결 스위치는 턴 오프 동작할 수 있다.
상기 제1 배터리 연결 스위치와 상기 제2 배터리 연결 스위치는, 상기 DC-DC 컨버터의 고장 발생시, 오픈(open) 상태로 변경되어 상기 고전압 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 연결을 해제할 수 있다.
상기 저전압으로 동작하는 제1 부하와 상기 배터리 이퀄라이저 시스템 사이에 연결되는 제1 부하 연결 스위치와, 상기 제1 부하보다 작은 전압으로 동작하는 제2 부하와 상기 배터리 이퀄라이저 시스템 사이에 연결되는 제2 부하 연결 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 부하 연결 스위치는, 상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 복수의 가변 수동 소자 중에서 적어도 하나 이상의 가변 수동 소자와 상기 제1 부하가 연결되도록 스위칭 동작하고, 상기 제2 부하 연결 스위치는, 상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 복수의 가변 수동 소자 중에서 적어도 하나 이상의 가변 수동 소자와 상기 제2 부하가 연결되도록 턴 온 동작할 수 있다.
상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 하위단과 상기 벅 컨버터의 하위단 사이에 연결되는 제1 컨버터 연결 스위치와, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 상위단과 상기 벅 컨버터의 상위단 사이에 연결되는 제2 컨버터 연결 스위치를 더 포함할 수 있다.
제1 컨버터 연결 스위치는, 상기 DC-DC 컨버터의 고장시 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 하위단과 상기 벅 컨버터의 상위단을 연결하도록 턴 온 동작하고, 상기 제2 컨버터 연결 스위치는, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 상위단과 상기 벅 컨버터의 하위단을 연결하도록 스위칭 동작할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법은, DC-DC 컨버터, 배터리 이퀄라이저 시스템 및 벅 컨버터를 포함하는 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 이용한 보조 배터리의 충전이 불가한 경우, 고전압 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 연결을 해제하는 연결 해제 단계; 상기 연결 해제 단계 이후, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 복수의 가변 수동 소자의 파라미터를 변경하는 파라미터 변경 단계; 상기 파라미터 변경 단계 이후, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템과 상기 벅 컨버터의 연결을 제어하는 스위치 전환 단계; 및 상기 벅 컨버터를 이용하여 상기 고전압 배터리의 고전압을 중전압으로 강압하고, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템을 이용하여 상기 중전압을 저전압으로 강압하며, 상기 저전압을 이용하여 상기 보조 배터리를 충전하거나 또는 차량 부하에 공급하는 페일 세이프 모드 동작 단계;를 포함한다.
상기 연결 해제 단계 이전에, 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압으로 상기 보조 배터리의 충전이 되고 있는지 감지하는 감지 단계; 상기 보조 배터리의 충전이 불가한 경우, 상기 보조 배터리의 충전 불가 시간이 기설정된 기준 감지 시간을 초과하는지 판단하는 감지 시간 판단 단계; 및 상기 기준 감지 시간을 초과하는 동안 상기 보조 배터리의 충전이 불가한 경우, 상기 보조 배터리의 충전 불가를 최종 확인하는 충전 고장 확인 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 연결 해제 단계 이후에, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 동작 중지를 제어하는 동작 중지 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 파라미터 변경 단계는, 기설정된 디지털 제어 방식에 따라 상기 복수의 가변 수동 소자 중에서 가변 저항의 저항값, 가변 커패시터의 커패시턴스, 및 가변 인덕터의 인덕턴스를 변경할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템 및 그것의 페일 세이프 방법에 의하면, 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 메인 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터의 고장시, 다른 회로 구성을 이용하여 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 메인 전압을 공급함으로써 안정적으로 전기 차량을 구동 가능한 효과가 있다.
또한, 기존 회로인 벅 컨버터(Buck Converter)와 배터리 이퀄라이저(BEQ: Battery Equalizer)를 이용하여 고전압을 강압하여 메인 전압을 공급함으로써 별도 회로의 추가가 없어 구성 복잡도가 증가하는 것을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템의 회로도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템(100)은, 고전압 배터리(BATT1)의 고전압을 강압하여 메인 전압(저전압)을 공급하는 DC-DC 컨버터(110)의 고장시, 다른 회로 구성을 이용하여 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 메인 전압을 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템(100)은, DC-DC 컨버터(110), 배터리 이퀄라이저 시스템(120), 및 벅 컨버터(130)를 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터(110)는, 고전압 배터리(BATT1)의 고전압을 강압하여 메인 전압을 보조 배터리(BATT2, BATT3)에 공급할 수 있다. 여기서, 고전압 배터리(BATT1)는 대략 711V의 고전압을 보유할 수 있다. 또한, 메인 전압은 대략 28V일 수 있다. DC-DC 컨버터(110)는 일종의 LDC(Low voltage DC-DC Converter)일 수 있다.
DC-DC 컨버터(110)는 제1 커패시터(C1), 복수의 강압 스위치(S1, S2, S3, S4), 제1 인덕터(L1), 트랜스포머(TR), 복수의 다이오드(D1, D2, D3, D4), 제2 인덕터(L2), 제2 커패시터(C2), 및 한 쌍의 배터리 연결 스위치(SV0_1, SV0_2)를 포함할 수 있다.
제1 커패시터(C1)는 고전압 배터리(BATT1)에 병렬 연결될 수 있다. 제1 커패시터(C1)는 고전압 배터리(BATT1)의 방전에 따라 충전되며, 고전압으로부터 회로를 보호할 수 있다.
복수의 강압 스위치(S1, S2, S3, S4)는 풀-브릿지 회로를 구현할 수 있다. 복수의 강압 스위치(S1, S2, S3, S4)는 제어부(미도시)에 따라 스위칭 동작함으로써 고전압 배터리(BATT1)의 고전압을 직류에서 교류로 변환할 수 있다.
제1 인덕터(L1)는, 일단이 제3 강압 스위치(S3)와 제4 강압 스위치(S4) 사이에 연결될 수 있다. 제1 인덕터(L1)는 타단이 트랜스포머(TR)에 연결될 수 있다.
트랜스포머(TR)는 복수의 강압 스위치(S1, S1, S3, S4)로부터 출력된 교류 전압을 강압하여 저전압의 직류 전압으로 출력할 수 있다. 여기서, 저전압의 직류 전압은 대략 28V일 수 있다.
복수의 다이오드(D1, D2, D3, D4)는, 트랜스포머(TR)의 출력전압을 일정하게 정류시킬 수 있다. 복수의 다이오드(D1, D2, D3, D4)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 제3 다이오드(D3), 및 제4 다이오드(D4)를 포함할 수 있다.
제1 다이오드(D1)는 트랜스포머(TR)의 일단에 역방향으로 연결될 수 있다.
제2 다이오드(D2)는 트랜스포머(TR)의 타단에 역방향으로 연결될 수 있다.
제2 인덕터(L2)는, 일단이 트랜스포머(TR)의 중단에 연결될 수 있다.
제3 다이오드(D3)는 제2 인덕터(L2)에 정방향으로 연결될 수 있다.
제4 다이오드(D4)는 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2) 각각의 타단에 정방향으로 연결될 수 있다.
제2 커패시터(C2)는, 양단이 제3 다이오드(D3)의 출력단과 제4 다이오드(D4)의 출력단에 연결될 수 있다. 제2 커패시터(C2)는 보조 배터리(BATT2, BATT3)에 병렬 연결될 수 있다.
트랜스포머(TR)의 출력전압은 복수의 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 통과하여 차량 부하(LOAD1, LOAD2)에 공급될 수 있다. 또한, 트랜스포머(TR)의 출력전압은 보조 배터리(BATT2, BATT3)에 공급될 수 있다. 이때 배터리 이퀄라이저 시스템(120)은 제1 보조 배터리(BATT2)와 제2 보조 배터리(BATT3) 사이의 전압이 동일하도록 전압 밸런싱을 수행할 수 있다.
한 쌍의 배터리 연결 스위치(SV0_1, SV0_2)는, 제1 배터리 연결 스위치(SV0_1)와 제2 배터리 연결 스위치(SV0_2)를 포함할 수 있다.
제1 배터리 연결 스위치(SV0_1)는 고전압 배터리(BATT1)의 양전압단과 복수의 강압 스위치(S1, S2, S3, S4)의 상위단 사이에 연결될 수 있다.
제2 배터리 연결 스위치(SV0_2)는 고전압 배터리(BATT1)의 음전압단과 복수의 강압 스위치(S1, S2, S3, S4)의 하위단 사이에 연결될 수 있다.
제1 배터리 연결 스위치(SV0_1)와 제2 배터리 연결 스위치(SV0_2)는 평상시 턴 온 상태를 유지할 수 있다. 제1 배터리 연결 스위치(SV0_1)와 제2 배터리 연결 스위치(SV0_2)는 DC-DC 컨버터(110)의 고장 발생시, 제어부에 의해 제어되어 턴 오프 상태로 스위칭 동작할 수 있다. 이때 고전압 배터리(BATT1)와 DC-DC 컨버터(110)의 연결이 해제될 수 있다. 이를 통해 고장 상태의 DC-DC 컨버터 회로(110)에 고전압 배터리(BATT1)의 고전압이 공급되는 것을 방지할 수 있다.
배터리 이퀄라이저 시스템(120)은, 평상시 제1 보조 배터리(BATT2)와 제2 보조 배터리(BATT3)의 전압 균형을 유지시킬 수 있다. 배터리 이퀄라이저 시스템(120)은 DC-DC 컨버터(110)의 고장시, DC-DC 컨버터(110)의 일부 기능을 구현함으로써, 벅 컨버터(130)와 함께 고전압을 강압하고 강압된 저전압을 차량 부하에 공급할 수 있다.
배터리 이퀄라이저 시스템(120)은 복수의 스위칭 소자(M1, M2, M3), 복수의 가변 수동 소자(VR, VC, VL), 제3 커패시터(C3), 및 정류 다이오드(D5) 한 쌍의 부하 연결 스위치(SV1_1, SV1_2), 및 한 쌍의 컨버터 연결 스위치(SV2_1, SV2_2)를 포함할 수 있다.
복수의 스위칭 소자(M1, M2, M3)는, 제1 스위칭 소자(M1), 제2 스위칭 소자(M2), 및 제3 스위칭 소자(M3)를 포함할 수 있다.
제1 스위칭 소자(M1)는, 제2 보조 배터리(BATT3)의 음전압단과 제4 다이오드(D4) 각각에 드레인단이 연결될 수 있다.
제2 스위칭 소자(M2)는, 제1 보조 배터리(BATT2)의 양전압단과 제3 다이오드(D3) 각각에 소스단이 연결될 수 있다.
제3 스위칭 소자(M3)는, 드레인단이 제2 스위칭 소자(M2)의 드레인단에 연결될 수 있다.
복수의 가변 수동 소자(VR, VC, VL)는, 가변 저항(VR), 가변 커패시터(VC), 가변 인덕터(VL)를 포함할 수 있다.
가변 저항(VR)은 일단이 제1 보조 배터리(BATT2)와 제2 보조 배터리(BATT3)의 사이에 연결될 수 있다. 가변 저항(VR)은 기설정된 디지털 제어 방식에 따라 저항값이 가변되도록 구성될 수 있다. 가변 저항(VR)은 DC-DC 컨버터(110)의 고장 발생시, 저항값이 가변되어 고전압 배터리(BATT1)의 고전압을 적절히 강압하는 데 이용될 수 있다. 가변 저항(VR)의 구체적인 구성과 디지털 제어 방식은 이미 알려진 기술 중에서 어느 하나가 선택 적용될 수 있다.
가변 커패시터(VC)는 일단이 가변 저항(VR)에 직렬 연결될 수 있다. 가변 커패시터(VC)는 타단이 제1 스위칭 소자(M1)의 소스단에 연결될 수 있다. 가변 커패시터(VC)는 기설정된 디지털 제어 방식에 따라 커패시턴스가 가변되도록 구성될 수 있다. 가변 커패시터(VC)는 DC-DC 컨버터(110)의 고장 발생시, 커패시턴스가 가변되어 고전압 배터리(BATT1)의 고전압을 적절히 강압하는 데 이용될 수 있다. 가변 커패시터(VC)의 구체적인 구성과 디지털 제어 방식은 이미 알려진 기술 중에서 어느 하나가 선택 적용될 수 있다.
가변 인덕터(VL)는 일단이 제1 보조 배터리(BATT2)와 제2 보조 배터리(BATT3)의 사이에 연결될 수 있다. 가변 인덕터(VL)는 타단이 제3 스위칭 소자(M3)의 소스단에 연결될 수 있다. 가변 인덕터(VL)는 기설정된 디지털 제어 방식에 따라 인덕턴스가 가변되도록 구성될 수 있다. 가변 인덕터(VL)는 DC-DC 컨버터(110)의 고장 발생시, 인덕턴스가 가변되어 고전압 배터리(BATT1)의 고전압을 적절히 강압하는 데 이용될 수 있다. 가변 인덕터(VL)의 구체적인 구성과 디지털 제어 방식은 이미 알려진 기술 중에서 어느 하나가 선택 적용될 수 있다.
정류 다이오드(D5)는 제3 스위칭 소자(M3)의 소스단과 가변 인덕터(VL)의 타단 사이에 역방향으로 연결될 수 있다. 정류 다이오드(D5)는 제1 스위칭 소자(M1)의 소스단에 정방향으로 연결될 수 있다.
제3 커패시터(C3)는 제3 스위칭 소자(M3)와 정류 다이오드(D5)를 포함하는 회로에 병렬 연결될 수 있다.
한 쌍의 부하 연결 스위치(SV1_1, SV1_2)는, 제1 부하 연결 스위치(SV1_1)와 제2 부하 연결 스위치(SV1_2)를 포함할 수 있다.
제1 부하 연결 스위치(SV1_1)는, SPDT(Single Pole Double Through) 스위치일 수 있다. 제1 부하 연결 스위치(SV1_1)는 제3 다이오드(D3), 제1 보조 배터리(BATT2)의 양전압단, 및 제1 부하(LOAD1)를 제2 스위칭 소자(M2)에 연결하도록 스위칭 동작할 수 있다. 여기서, 제1 부하(LOAD1)는 24V 전압으로 동작할 수 있다.
또한, 제1 부하 연결 스위치(SV1_1)는 제3 다이오드(D3), 제1 보조 배터리(BATT2)의 양전압단, 및 제1 부하(LOAD1)를 가변 저항(VR) 또는 가변 인덕터(VL)에 연결하도록 스위칭 동작할 수 있다.
제2 부하 연결 스위치(SV1_2)는, 제2 부하(LOAD2)를 가변 저항(VR), 및 가변 인덕터(VL)에 연결하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제2 부하(LOAD2)는 12V 전압으로 동작할 수 있다.
또한, 제2 부하 연결 스위치(SV1_2)는 제1 보조 배터리(BATT2)의 음전압단과 제2 보조 배터리(BATT3)의 양전압단을 가변 저항(VR), 및 가변 인덕터(VL)에 연결하도록 구성될 수 있다.
한 쌍의 컨버터 연결 스위치(SV2_1, SV2_2)는 제1 컨버터 연결 스위치(SV2_1)와 제2 컨버터 연결 스위치(SV2_2)를 포함할 수 있다.
제1 컨버터 연결 스위치(SV2_1)는 벅 컨버터(130)의 하위단과 배터리 이퀄라이저 시스템(120)의 하위단을 연결하도록 구성될 수 있다.
제2 컨버터 연결 스위치(SV2_2)는 SPDT(Single Pole Double Through) 스위치일 수 있다. 제2 컨버터 연결 스위치(SV2_2)는 벅 컨버터(130)의 상위단과 배터리 이퀄라이저 시스템(120)의 상위단을 연결하도록 구성될 수 있다. 제2 컨버터 연결 스위치(SV2_2)는 제2 스위칭 소자(M2)와 제3 커패시터(C3)를 연결하도록 스위칭 동작할 수 있다.
벅 컨버터(130)는, 고전압 배터리(BATT3)의 고전압을 강압하여 중전압을 생성할 수 있다. 벅 컨버터(130)는 중전압을 제3 부하(LOAD3)에 공급할 수 있다. 여기서, 제3 부하(LOAD3)는 고전압 배터리(BATT1)를 냉각하는 컴프레서일 수 있다. 제3 부하(LOAD3)는 360V의 중전압으로 동작할 수 있다.
벅 컨버터(130)는 DC-DC 컨버터(110)의 고장 발생시, 배터리 이퀄라이저 시스템(120)에 연결될 수 있다. 벅 컨버터(130)는 배터리 이퀄라이저 시스템(120)에 중전압을 전달할 수 있다. 벅 컨버터(130)는 배터리 이퀄라이저 시스템(120)과 함께 DC-DC 컨버터(110)의 전압 강화 회로를 구현할 수 있다.
벅 컨버터(130)는 제1 벅 스위치(FET1), 제2 벅 스위치(FET2), 제3 인덕터(L3), 저항(R), 및 제4 커패시터(C4)를 포함할 수 있다.
제1 벅 스위치(FET1)는, 모스펫(MOSFET) 소자일 수 있다. 제1 벅 스위치(FET1)는 드레인단이 고전압 배터리(BATT1)의 양전압단에 연결될 수 있다.
제2 벅 스위치(FET2)는 모스펫(MOSFET) 소자일 수 있다. 제2 벅 스위치(FET2)는 드레인단이 제1 벅 스위치(FET1)의 소스단에 연결될 수 있다. 제2 벅 스위치(FET2)는 소스단이 고전압 배터리(BATT1)의 음전압단에 연결될 수 있다.
제3 인덕터(L3)는, 일단이 제1 벅 스위치(FET1)와 제2 벅 스위치(FET2)의 사이에 연결될 수 있다. 제3 인덕터(L3)는 타단이 제3 부하(LOAD3)에 연결될 수 있다.
저항(R)은 제3 인덕터(L3)에 병렬 연결될 수 있다.
제4 커패시터(C4)는, 제2 스위치(FET2)와 제3 부하(LOAD3)에 병렬연결될 수 있다.
하기 표 1은, DC-DC 컨버터(110)의 상태에 따른 각종 연결 스위치의 상태를 보여준다.
DLDC(Dual Low voltage DC-DC Converter) 시스템 배터리 이퀄라이저 시스템(120)
DC-DC 컨버터(110)(711V->28V, 벅 컨버터(130)(711->360V) (28V->14V, 360V->28V)
연결 스위치 SV0_1 SV0_2 SV2_1 SV2_2(상단, 하단) SV1_1(상단, 하단) SV1_2
정상 모드 close close open open close close open close
페일 세이프 모드 open open close close open open close open
표 1을 참고하면, DC-DC 컨버터(110)가 정상 상태인 경우, 제어부는 정상모드로 동작할 수 있다. 정상모드에서 제어부는 제1 배터리 연결 스위치(SV0_1), 제2 배터리 연결 스위치(SV0_2), 및 제2 부하 연결 스위치(SV1_2)를 클로즈(close) 상태로 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제1 컨버터 연결 스위치(SV2_1)와 제2 부하 연결 스위치(SV1_2)를 오픈(open) 상태로 제어할 수 있다. 또한, 정상모드에서 제어부는 제2 컨버터 연결 스위치(SV2_2)를 제3 커패시터(C3)에 연결하도록 스위칭 제어할 수 있다. 또한, 정상모드에서 제어부는 제1 부하 연결 스위치(SV1_1)를 가변 저항(VR) 및 가변 인덕터(VL)에 연결하도록 스위칭 제어할 수 있다.
이를 통해 DC-DC 컨버터(110), 배터리 이퀄라이저 시스템(120), 및 벅 컨버터(130)는 정상 동작할 수 있다.
한편, DC-DC 컨버터(110)가 고장 상태인 경우, 제어부는 페일 세이프 모드로 동작할 수 있다. 페일 세이프 모드에서 제어부는 제1 배터리 연결 스위치(SV0_1)와 제2 배터리 연결 스위치(SV0_2)를 오픈(open) 상태로 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제1 컨버터 연결 스위치(SV2_1)와 제2 부하 연결 스위치(SV1_2)를 클로즈(close) 상태로 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제2 컨버터 연결 스위치(SV2_2)를 벅 컨버터(130)에 연결하도록 스위칭 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제1 부하 연결 스위치(SV1_1)를 제2 스위칭 소자(M2)에 연결하도록 스위칭 제어할 수 있다.
이를 통해, DC-DC 컨버터(110)는 동작을 중지하고, 배터리 이퀄라이저 시스템(120)과 벅 컨버터(130)는 DC-DC 컨버터(110)의 전압 강압 회로를 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법의 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 바람직한 실시예에 따른 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법은, DC-DC 컨버터(110)의 고장 발생시, 배터리 이퀄라이저 시스템(120)과 벅 컨버터(130)를 이용하여 DC-DC 컨버터(110)의 전압 강화 회로를 구현함으로써 DC-DC 컨버터(110)의 고장에 따른 차량 부하의 동작이 중지되는 것을 방지할 수 있다.
먼저, 감지 단계(S210)에서, 제어부(미도시)는 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전이 되고 있는지 감지한다. 여기서, 제어부는 별도의 감지 센서(미도시)로부터 획득한 센싱값을 통해 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전 여부를 확인할 수 있다. 제어부는 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전이 감지되지 않는 경우, DC-DC 컨버터(110)의 동작이 제대로 이루어지지 않는 것으로 판단할 수 있다. 예컨대, 제어부는 고전압 배터리의(BATT1)의 고전압(711V)이 보조 배터리(BATT2, BATT3) 충전을 위한 저전압(28V)으로 강압되지 않는 것으로 판단할 수 있다.
감지 시간 판단 단계(S220)에서, 제어부는 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전이 불가한 경우, 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전 불가 시간이 기설정된 기준 감지 시간을 초과하는지 판단한다. 기준 감지 시간은 대략 수 초 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
충전 고장 확인 단계(S230)에서, 제어부는 기준 감지 시간을 초과하는 동안 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전이 불가한 경우, 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전 불가를 최종 확인할 수 있다.
연결 해제 단계(S240)에서, 제어부는 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전 불가가 최종 확인되면, 고전압 배터리(BATT1)와 DC-DC 컨버터(110)의 연결을 해제할 수 있다. 이때 제어부는 제1 배터리 연결 스위치(SV0_1)와 제2 배터리 연결 스위치(SV0_2)를 턴 오프 제어할 수 있다.
동작 중지 단계(S250)에서, 제어부는 배터리 이퀄라이저 시스템(120)의 동작 중지를 제어할 수 있다. 이때 제어부는 복수의 스위칭 소자(M1, M2, M3)를 턴 오프 제어할 수 있다.
파라미터 변경 단계(S260)에서, 제어부는 중전압(360V)을 저전압(28 V)으로 강압하는데 이용되는 복수의 가변 수동 소자(VR, VC, VL)의 파라미터를 변경할 수 있다. 제어부는 기설정된 디지털 제어 방식에 따라 가변 저항(VR)의 저항값을 변경하고, 가변 커패시터(VC)의 커패시턴스를 변경하고, 가변 인덕터(VL)의 인덕터스를 변경할 수 있다.
스위치 전환 단계(S270)에서, 제어부는 복수의 가변 수동 소자(VR, VC, VL)의 파라미터 변경이 완료되면, 배터리 이퀄라이저 시스템(120)과 벅 컨버터(130)의 연결을 제어할 수 있다. 이때 제어부는 제1 컨버터 연결 스위치(SV2_1)를 턴 온 제어하고, 벅 컨버터(130)의 상위단에 연결되도록 제2 컨버터 연결 스위치(SV2_2)의 접점 위치를 전환할 수 있다.
페일 세이프 모드 동작 단계(S280)에서, 제어부는 배터리 이퀄라이저 시스템(120)과 벅 컨버터(130)가 연결되면, 페일 세이프 모드로 동작한다. 제어부는 페일 세이프 모드에서 급가속, 급감속 금지 명령을 차량 제어 시스템(VCU: Vehicle Control Unit)에 전송할 수 있다. 또한 제어부는 페일 세이프 모드에서 DC-DC 컨버터(110)의 고장 상황을 사용자에 알리도록 경고등(미도시)을 제어할 수 있다. 또한 제어부는 페일 세이프 모드에서 벅 컨버터(130)의 복수의 벅 스위치(FET1, FET2)를 제어함으로써 고전압 배터리(BATT1)의 고전압(711V)를 중전압(360V)으로 강압할 수 있다. 또한 제어부는 페일 세이프 모드에서 배터리 이퀄라이저 시스템(120)의 복수의 스위칭 소자(M1, M2, M3)를 제어함으로써 벅 컨버터(130)에 의해 생성된 중전압(360V)을 저전압(28V)으로 강압할 수 있다. 이렇게 생성된 저전압(28V)은 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전 및 차량 부하(LOAD1, LOAD2)의 동작에 이용될 수 있다. 즉, DC-DC 컨버터(110)의 고장이 발생하더라도, 배터리 이퀄라이저 시스템(120)과 벅 컨버터(130)가 DC-DC 컨버터(110)의 전압 강압 기능을 구현함으로써 보조 배터리(BATT2, BATT3)의 충전 불가와 차량 부하(LOAD1, LOAD2)의 동작 중지를 방지할 수 있다.
한편, 제어부는 사용자에 의해 DC-DC 컨버터(110)의 교체 또는 수리가 완료되는 경우, 그 결과를 감지할 수 있다. 제어부는 DC-DC 컨버터(110)의 교체 또는 수리가 감지되는 경우, 중전압(360V)을 저전압(28V)으로 강압하는 배터리 이퀄라이저 시스템(120)의 동작 중지를 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 복수의 가변 수동 소자(VR, VC, VL)의 파라미터를 기본값으로 되돌릴 수 있다. 또한, 제어부는 배터리 이퀄라이저 시스템(120)과 벅 컨버터(130)의 연결을 해제할 수 있다. 또한, 제어부는 고전압 배터리(BATT1)와 교체 또는 수리된 DC-DC 컨버터(110)의 연결을 제어할 수 있다. 이후 제어부는 DC-DC 컨버터(110)의 복수의 강압 스위치(S1, S2, S3, S4)를 제어함으로써, 고전압(711V)을 저전압(28V)으로 강압할 수 있다. 보조 배터리(BATT2, BATT3)는 저전압(28V)을 통해 정상 충전이 수행될 수 있다. 차량 부하(LOAD1, LOAD2)는 저전압(28V)을 통해 정상 동작할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
100: 전원 공급 시스템
110: DC-DC 컨버터
S1, S2, S3, S4: 제1, 제2, 제3, 제4 강압 스위치
L1, L2: 제1, 제2 인덕터
TR: 트랜스포머
D1, D2, D3, D4: 제1, 제2, 제3, 제4 다이오드
C1, C2: 제1, 제2 커패시터
SV1_1, SV1_2: 제1, 제2 배터리 연결 스위치
120: 배터리 이퀄라이저 시스템
M1, M2, M3: 제1, 제2, 제3 스위칭 소자
VR: 가변 저항
VC: 가변 커패시터
VL: 가변 인덕터
C3: 제3 커패시터
D5: 정류 다이오드
SV1_1, SV1_2: 제1, 제2 부하 연결 스위치
SV2_1, SV2_2: 제1, 제2 컨버터 연결 스위치
130: 벅 컨버터
FET1, FET2: 제1, 제2 벅 스위치
L3: 제3 인덕터
R: 저항
C4: 제4 커패시터

Claims (12)

  1. 고전압 배터리의 고전압을 강압하여 저전압을 생성하고, 생성된 상기 저전압을 복수의 차량 부하 또는 보조 배터리에 공급하는 DC-DC 컨버터;
    상기 DC-DC 컨버터의 상태에 따라, 상기 보조 배터리의 전압이 균형을 유지하도록 전압 밸런싱을 수행하거나, 또는 상기 DC-DC 컨버터의 적어도 일부 구성에 대응하는 스위칭 소자와 복수의 가변 수동 소자를 이용하여 외부로부터 전달받은 중전압을 강압하여 저전압을 생성하고, 생성된 상기 저전압을 상기 차량 부하에 공급하는 배터리 이퀄라이저 시스템; 및
    상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템에 연결되고, 상기 고전압을 강압하여 상기 중전압을 생성하고, 생성된 상기 중전압을 상기 배터리 이퀄라이저 시스템에 전달하는 벅 컨버터;
    를 포함하고,
    상기 고전압 배터리의 양전압단과 상기 DC-DC 컨버터의 상위단 사이에 연결되는 제1 배터리 연결 스위치와,
    상기 고전압 배터리의 음전압단과 상기 DC-DC 컨버터의 하위단 사이에 연결되는 제2 배터리 연결 스위치를 더 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 제1 배터리 연결 스위치와 상기 제2 배터리 연결 스위치는 턴 오프 동작하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 가변 수동 소자는,
    기설정된 디지털 제어 방식에 따라 저항값이 가변되는 가변 저항,
    상기 디지털 제어 방식에 따라 커패시턴스가 가변되는 가변 커패시터, 및
    상기 디지털 제어 방식에 따라 인덕턴스가 가변되는 가변 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배터리 연결 스위치와 상기 제2 배터리 연결 스위치는,
    상기 DC-DC 컨버터의 고장 발생시, 오픈(open) 상태로 변경되어 상기 고전압 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 연결을 해제하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저전압으로 동작하는 제1 부하와 상기 배터리 이퀄라이저 시스템 사이에 연결되는 제1 부하 연결 스위치와,
    상기 제1 부하보다 작은 전압으로 동작하는 제2 부하와 상기 배터리 이퀄라이저 시스템 사이에 연결되는 제2 부하 연결 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 부하 연결 스위치는,
    상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 복수의 가변 수동 소자 중에서 적어도 하나 이상의 가변 수동 소자와 상기 제1 부하가 연결되도록 스위칭 동작하고,
    상기 제2 부하 연결 스위치는, 상기 DC-DC 컨버터의 고장시, 상기 복수의 가변 수동 소자 중에서 적어도 하나 이상의 가변 수동 소자와 상기 제2 부하가 연결되도록 턴 온 동작하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 하위단과 상기 벅 컨버터의 하위단 사이에 연결되는 제1 컨버터 연결 스위치와,
    상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 상위단과 상기 벅 컨버터의 상위단 사이에 연결되는 제2 컨버터 연결 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제1 컨버터 연결 스위치는, 상기 DC-DC 컨버터의 고장시 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 하위단과 상기 벅 컨버터의 상위단을 연결하도록 턴 온 동작하고,
    상기 제2 컨버터 연결 스위치는, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 상위단과 상기 벅 컨버터의 하위단을 연결하도록 스위칭 동작하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템.
  9. DC-DC 컨버터, 배터리 이퀄라이저 시스템 및 벅 컨버터를 포함하는 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 이용한 보조 배터리의 충전이 불가한 경우, 고전압 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 연결을 해제하는 연결 해제 단계;
    상기 연결 해제 단계 이후, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 복수의 가변 수동 소자의 파라미터를 변경하는 파라미터 변경 단계;
    상기 파라미터 변경 단계 이후, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템과 상기 벅 컨버터의 연결을 제어하는 스위치 전환 단계; 및
    상기 벅 컨버터를 이용하여 상기 고전압 배터리의 고전압을 중전압으로 강압하고, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템을 이용하여 상기 중전압을 저전압으로 강압하며, 상기 저전압을 이용하여 상기 보조 배터리를 충전하거나 또는 차량 부하에 공급하는 페일 세이프 모드 동작 단계;
    를 포함하는 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연결 해제 단계 이전에, 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압으로 상기 보조 배터리의 충전이 되고 있는지 감지하는 감지 단계;
    상기 보조 배터리의 충전이 불가한 경우, 상기 보조 배터리의 충전 불가 시간이 기설정된 기준 감지 시간을 초과하는지 판단하는 감지 시간 판단 단계; 및
    상기 기준 감지 시간을 초과하는 동안 상기 보조 배터리의 충전이 불가한 경우, 상기 보조 배터리의 충전 불가를 최종 확인하는 충전 고장 확인 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 연결 해제 단계 이후에, 상기 배터리 이퀄라이저 시스템의 동작 중지를 제어하는 동작 중지 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 파라미터 변경 단계는,
    기설정된 디지털 제어 방식에 따라 상기 복수의 가변 수동 소자 중에서 가변 저항의 저항값, 가변 커패시터의 커패시턴스, 및 가변 인덕터의 인덕턴스를 변경하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 전원 공급 시스템의 페일 세이프 방법.
KR1020200176524A 2020-12-16 2020-12-16 페일 세이프 기능을 구비한 전기 차량의 전원 공급 시스템 및 그것의 페일 세이프 방법 Active KR102475412B1 (ko)

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