KR20050045597A - A power disconnecting unit for hybrid electric vehicle and fuel cell electric vehicle - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력 반도체 제어를 통해서 전류를 제어하고, 일반 릴레이를 사용하여 파워 디스커넥팅 유닛의 제작 가격을 낮추고 수명을 길게 할 수 있는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치에 관한 것으로, 하이브리드 및 연료 전지 차량의 고전압 전원부와 인버터 사이에서 전기를 단속하여 주는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이를 갖는 파워 디스커넥팅 유닛과; 상기 파워 디스커넥팅 유닛 내에서 인버터 쪽의 캐패시터가 초기에 충전되어져 있지 않을 때 충전하는 기능을 하는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 제거하고 그 위치에 회로 구성되는 전력 반도체와; 상기 전력 반도체의 제어를 통해 고전압 전원부와 인버터 사이의 전류량을 단속적으로 조절하는 제어부를 포함하여 구성한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power connection control device for hybrid and fuel cell vehicles that can control current through power semiconductor control and can reduce the manufacturing cost and extend the life of the power disconnecting unit using a general relay. A power disconnecting unit having a first main relay and a second main relay for intermittent electricity between the high voltage power supply of the vehicle and the inverter; A power semiconductor configured to remove a pre-charge relay and a pre-charge resistor in a circuit at a position of the inverter in the power disconnecting unit, which functions to charge when the capacitor on the inverter side is not initially charged; And a controller for intermittently adjusting the amount of current between the high voltage power supply unit and the inverter through control of the power semiconductor.
Description
본 발명은 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power connection control device for hybrid and fuel cell vehicles.
통상적으로, 파워 디스커넥팅 유닛(PDU)은 고전압 전원 출력과 모터 인버터나 DC/DC 컨버터 사이에 놓여서 사용하지 않을 때 전원을 끊어주어 안전을 도모하기 위해 사용된다.Typically, a power disconnecting unit (PDU) is used between the high voltage power output and a motor inverter or a DC / DC converter to cut off power when not in use for safety.
이와 같은 파워 디스커넥팅 유닛에 사용하는 밀봉형 릴레이는 도 1에 도시된 바와 같이 고전압 입력단(배터리나 연료 전지 스택)과 모터 인버터 사이에 놓이게 된다. The sealed relay used in such a power disconnecting unit is placed between the high voltage input terminal (battery or fuel cell stack) and the motor inverter as shown in FIG. 1.
프리 차지 릴레이(2)는 인버터 쪽의 캐패시터(8a)가 초기에 충전되어져 있지 않을 때 메인 릴레이(1, 4)를 연결하면 과전류가 흘러 메인 릴레이(1, 4)와 캐패시터(8a)가 파손되게 되므로 인버터 쪽의 캐패시터(8a)를 초기에 충전하는 용도로 사용되게 된다. When the precharge relay 2 is connected to the main relays 1 and 4 when the capacitor 8a on the inverter side is not initially charged, an overcurrent flows and the main relays 1 and 4 and the capacitor 8a are damaged. Therefore, it is used for the purpose of initially charging the capacitor 8a of the inverter side.
현재 일반적으로 전기 차량이나 하이브리드 전기 차량, 연료 전지 차량에 사용되는 파워 디스커넥팅 유닛에는 전기 접점이 일어나는 곳을 밀봉하여 진공 상태 또는 불활 기체로 채워 만든 밀봉형 릴레이를 주로 사용한다. Currently, power disconnecting units, which are generally used in electric vehicles, hybrid electric vehicles, and fuel cell vehicles, mainly use a sealed relay made of a vacuum or inert gas by sealing the electrical contact.
이는 이와 같은 차량에서 상대적으로 고전류(약 100A에서 600A정도)를 사용하기 때문에 전류를 단속 할 때 릴레이의 전기 접점에서 스파크가 발생하여 수명이 짧아지기 때문에 전기 접점 부위의 산화 발생을 억제하기 위함이다. This is to suppress the occurrence of oxidation in the electrical contact area because the relatively high current (about 100A to 600A) is used in such a vehicle, and the life is shortened because spark occurs at the electrical contact of the relay when the current is interrupted.
고 전력용 릴레이의 접점에서 스파크가 발생하여 접점이 손상되는 경우는 주로 전류가 흐르는 동안에 접점을 뗄 때 발생한다. Sparks are generated at the contacts of high-power relays and the contacts are damaged when the contacts are disconnected while the current is flowing.
그래서 전기 접점을 빨리 떼어 주는 설계가 필요하다. That's why a design is needed to quickly disconnect electrical contacts.
그리고, 또한 접촉 저항을 작게 하여야 고 전류를 흐르게 해 줄 수 있기 때문에 전기 접점이 연결되어져 있는 동안에는 접촉력을 크게하여 접촉 저항을 줄여 주는 설계가 필요하다. In addition, since the contact resistance must be made small to allow high current to flow, a design that reduces the contact resistance by increasing the contact force while the electrical contact is connected is required.
그러나 이 접촉력을 강하게 유지하면 접점을 빨리 뗄 수 없는 문제가 있어 두 가지를 모두 만족시킬 수 없다.However, if this contact force is kept strong, there is a problem that the contact cannot be released quickly, so that neither can be satisfied.
또한, 이와 같은 제품은 양산 공정이 복잡하기 때문에 대량 생산을 하더라도 설비 가격이 비싸고 제품의 단가도 상대적으로 고가이기 때문에 파워 디스커넥팅 유닛의 가격도 고가이고 수명도 짧은 단점이 있다. In addition, such a product has a disadvantage in that a mass production process is complicated, so even in mass production, the price of equipment is high and the unit cost of the product is relatively high, so that the cost of the power disconnecting unit is high and its life is short.
또한, 연료 전지 하이브리드의 경우 역전류에 의한 연료 전지 스택의 손상을 방지하기 위해 블로킹 다이오드(3a)를 사용하는 경우가 있는데, 이 경우 연료 전지에서 사용하는 모든 파워를 다이오드를 거치게 해야 하므로 다이오드에서의 발열에 의한 전력 소모가 시스템의 효율을 낮게 하는 문제가 있다.In addition, in the case of a fuel cell hybrid, a blocking diode 3a may be used to prevent damage to the fuel cell stack due to reverse current. In this case, since all power used in the fuel cell must pass through the diode, There is a problem that power consumption by heat generation lowers the efficiency of the system.
본 발명의 목적은 전력 반도체 제어를 통해서 전류를 제어하고, 일반 릴레이를 사용하여 파워 디스커넥팅 유닛의 제작 가격을 낮추고 수명을 길게 할 수 있는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a power connection control device for a hybrid and fuel cell vehicle that can control the current through the power semiconductor control, and can reduce the production cost and lengthen the life of the power disconnecting unit using a general relay.
본 발명의 다른 목적은 연료 전지 하이브리드의 경우 블로킹 다이오드를 제거함으로써 비용을 절감하고 다이오드에서 발열에 의한 열손실을 줄임으로써 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치를 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a power connection control device for a hybrid and fuel cell vehicle that can improve efficiency by reducing the cost by removing the blocking diode in the case of a fuel cell hybrid and reducing heat loss due to heat generation in the diode.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하이브리드 및 연료 전지 차량의 동력 연결 제어장치에 있어서, 상기 하이브리드 및 연료 전지 차량의 고전압 전원부와 인버터 사이에서 전기를 단속하여 주는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이를 갖는 파워 디스커넥팅 유닛과; 상기 파워 디스커넥팅 유닛 내에서 인버터 쪽의 캐패시터가 초기에 충전되어져 있지 않을 때 충전하는 기능을 하는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 제거하고 그 위치에 회로 구성되는 전력 반도체와; 상기 전력 반도체의 제어를 통해 고전압 전원부와 인버터 사이의 전류량을 단속적으로 조절하는 제어부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a power connection control device for a hybrid and fuel cell vehicle, the first main relay and the second main for intermittent electricity between the high voltage power supply unit and the inverter of the hybrid and fuel cell vehicle. A power disconnecting unit having a relay; A power semiconductor configured to remove a pre-charge relay and a pre-charge resistor in a circuit at a position of the inverter in the power disconnecting unit, which functions to charge when the capacitor on the inverter side is not initially charged; And a controller for intermittently adjusting the amount of current between the high voltage power supply unit and the inverter through the control of the power semiconductor.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. While many specific details, such as the following description and the annexed drawings, are shown to provide a more general understanding of the invention, these specific details are illustrated for the purpose of explanation of the invention and are not meant to limit the invention thereto. And a detailed description of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
본 발명은 최근 개발이 가속화되고 있는 전기 차량, 하이브리드 전기 차량, 연료 전지 차량에서 고전압 전원부(배터리나 연료 전지 스택)와 인버터(또는 DC/DC 컨버터) 사이에서 전기를 단속하여 주는 역할을 하는 동력 연결 제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power connection that plays a role of intermittent electricity between a high voltage power supply (battery or fuel cell stack) and an inverter (or a DC / DC converter) in an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and a fuel cell vehicle in which development is recently accelerated. It relates to a control device.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파워 디스커넥팅 유닛의 내부 구성도와 동력 연결 제어장치 구성을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating an internal configuration diagram of a power disconnecting unit and a power connection controller according to an exemplary embodiment of the present invention.
차량의 시동 초기에는 인버터나 DC/DC 컨버터의 캐패시터(8b)가 방전되어 있어 초기 충전이 필요하다.At the beginning of the vehicle startup, the capacitor 8b of the inverter or the DC / DC converter is discharged, and initial charging is necessary.
이 초기 충전은 전력 반도체(6)에 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 인가하여 전류를 단속적으로 공급하여 충전한다.This initial charging applies a pulse width modulation (PWM) signal to the power semiconductor 6 to supply and intermittently charge the current.
이렇게 하여 프리 차지 저항을 삭제 할 수 있다.In this way, the precharge resistor can be cleared.
또한, 시동을 끌 때에는 메인 릴레이(5, 7)를 끊어주어야 하는데 이때 전류가 흐르고 있으면 릴레이 접점에서 스파크가 발생하여 접점이 손상 될 수 있으므로 메인 릴레이를 끊어주기 전에 전력 반도체(6)를 온(On)하여 제1 메인 릴레이(5)를 먼저 끊더라도 전력 반도체(6)를 통해 전류가 계속 흐르기 때문에 제1 메인 릴레이(5)의 접점에서는 스파크가 발생하지 않는다.In addition, the main relays (5, 7) should be disconnected when turning off the start. At this time, if the current flows, the relay contacts may be sparked and the contacts may be damaged, so the power semiconductor 6 is turned on before the main relay is turned off. Even if the first main relay 5 is cut off first, since the current continues to flow through the power semiconductor 6, no spark occurs at the contact point of the first main relay 5.
그 다음 전력 반도체(6)를 오프(Off)하고 난 후에는 제2 메인 릴레이(7)를 통해 더 이상 전류가 흐르지 않기 때문에 안전하게 제2 메인 릴레이(7)를 끊어 줄 수 있다.After the power semiconductor 6 is turned off, the second main relay 7 may be safely disconnected since no current flows through the second main relay 7.
스택으로 전류가 역으로 흐르게 되면 스택 자체가 손상을 입게 된다.The reverse flow of current into the stack damages the stack itself.
연료 전지 하이브리드 차량의 경우에는 제어를 목적으로 스택에서 흘러 나가는 전류를 측정하는 경우가 일반적이다.In the case of fuel cell hybrid vehicles, it is common to measure the current flowing out of the stack for control purposes.
그러므로 이렇게 측정되는 전류가 스택으로 들어가는 역전류로 판단이 되면 제어부(마이크로 프로세서, Controller Unit)가 제1 메인 릴레이(5)를 끊어줌으로서 역으로 흐르는 전류가 전력 반도체(6)에 의해 차단이 되고 다시 순 방향의 전류가 흐르도록 될 때 제어부가 다시 제1 메인 릴레이(5)를 연결하여 정상 상태로 작동하게 한다.Therefore, if it is determined that the current measured in this way is a reverse current entering the stack, the control unit (microprocessor, controller unit) cuts off the first main relay 5 so that the current flowing in the reverse direction is blocked by the power semiconductor 6. When the current flows in the forward direction again, the control unit connects the first main relay 5 again to operate in a normal state.
이와 같은 제어를 통해 기존의 다이오드를 사용할 때 발생하는 발열에 의한 손실을 방지할 수 있어 시스템의 효율을 높이고 가격을 낮출 수 있다.This control prevents the loss of heat generated when using conventional diodes, thereby increasing system efficiency and lowering cost.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 없애고 대신에 전력 반도체(6)를 추가하여 전력 반도체(6)의 제어를 통해 전류량을 조절하여 기존의 고가의 밀봉형 메인 릴레이 대신에 저가형 비밀봉형 메인 릴레이(5, 7)를 사용하고 릴레이 단속 시 전류가 매우 적게 흐르게 하여 릴레이의 수명을 연장시키는 특징이 있다.As described above, the embodiment of the present invention eliminates the pre-charge relay and the pre-charge resistor, and instead, adds the power semiconductor 6 to adjust the amount of current through the control of the power semiconductor 6, thereby reducing the existing expensive sealed main relay. Instead, the low-cost non-sealed main relays (5, 7) are used, and the current flows very little during relay interruption, thereby extending the life of the relay.
본 발명의 실시예는 시동 초기에 제1 메인 릴레이(5)를 접속하기 전에 제2 메인 릴레이(7)를 접속하고 전력 반도체(6)를 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 하여 전류를 단속적으로 흐르게 하여 캐패시터(8b)를 충전하여 제1 메인 릴레이(5) 양단의 전압이 같게 한 후에 제1 메인 릴레이(5)를 접속하여 접속 시 접점을 통해 전류가 흐르지 않도록 한다.In the embodiment of the present invention, before the first main relay 5 is connected at the start-up, the second main relay 7 is connected and the power semiconductor 6 is controlled by pulse width modulation (PWM) so that the current flows intermittently. After charging the capacitor (8b) so that the voltage across the first main relay 5 is the same, the first main relay (5) is connected so that no current flows through the contact at the time of connection.
또한, 시동을 끌 때에는 전력 반도체(6)와 제2 메인 릴레이(7)는 온(On)된 상태에서 제1 메인 릴레이(5) 만을 먼저 오프(Off)한다. In addition, when the start-up is turned off, the power semiconductor 6 and the second main relay 7 first turn off only the first main relay 5 in an on state.
이때 제1 메인 릴레이(5)를 통하여 흐르던 전류가 전력 반도체(6)를 통해 계속 흐르기 때문에 제1 메인 릴레이(5)는 접점에서 스파크가 일어나지 않아 안전하게 오프(Off)할 수 있다. At this time, since the current flowing through the first main relay 5 continues to flow through the power semiconductor 6, the first main relay 5 may be safely turned off because no spark occurs at the contact point.
그 다음에 전력 반도체(6)를 오프(Off)하여 제2 메인 릴레이(7)를 통해 전류가 흐르지 않을 때 제2 메인 릴레이(7)를 오프(Off)하여 릴레이를 온/오프(On/Off)할 때 전류가 흐르지 않게 함으로서 고가형 밀봉형 릴레이 대신 저가형 비밀봉형 릴레이를 사용할 수 있게 한다.Then, when the power semiconductor 6 is turned off and no current flows through the second main relay 7, the second main relay 7 is turned off to turn the relay on / off. This prevents current from flowing in the air, making it possible to use low-cost, unsealed relays instead of expensive sealed relays.
또한, 연료 전지 하이브리드 차량에서는 스택으로부터의 전류를 센싱하여 역전류가 발생이 감지되면 제어부가 제1 메인 릴레이(5)를 끊어주는 알고리즘을 사용하여 다이오드를 통한 파워 소모를 하지 않으므로 시스템의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.In addition, in a fuel cell hybrid vehicle, when the reverse current is sensed by sensing the current from the stack, the controller does not consume power through the diode by using an algorithm that cuts off the first main relay 5, thereby increasing the efficiency of the system. There are advantages to it.
연료 전지 하이브리드의 경우 연료 전지 스택을 보호하기 위하여 블로킹 다이오드를 추가하는 경우가 있다.In the case of fuel cell hybrids, a blocking diode is sometimes added to protect the fuel cell stack.
그러나, 이 다이오드는 전류가 흐를 때 전압 강하가 항상 있기 때문에 파워를 소모하게 되어 시스템의 효율을 낮게 하는 원인이 된다.However, this diode consumes power because there is always a voltage drop as the current flows, causing the system to be less efficient.
본 발명의 실시예에 따른 구조를 사용하면 이 다이오드를 사용하지 않을 수 있어 시스템 효율을 높일 수 있다.Using the structure according to the embodiment of the present invention can not use this diode can increase the system efficiency.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 삭제하고 전력 반도체로 대체하여 파워 온/오프(On/Off)시 전류를 적절하게 제어하여 릴레이 온/오프(On/Off)시 전류가 흐르지 않게 함으로써 저가형 비밀봉형 릴레이를 사용하여 설계된 파워 디스커넥팅 유닛으로 단품의 원가 절감 및 수명을 증대시킬 수 있다.As described above, the power connection control apparatus for a hybrid and fuel cell vehicle according to the present invention eliminates the precharge relay and the precharge resistor and replaces the power semiconductor to appropriately control the current at power on / off to relay the relay. By preventing current from flowing on / off, the power disconnecting unit designed using a low-cost, non-sealed relay can increase the cost and life of the unit.
또한, 연료 전지 하이브리드의 경우 블로킹 다이오드를 삭제할 수 있어 비용을 낮추고 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, in the case of the fuel cell hybrid, the blocking diode may be eliminated, thereby reducing the cost and increasing the efficiency.
도 1은 종래 기술에 따른 파워 디스커넥팅 유닛(PDU)을 도시한 도면.1 shows a power disconnecting unit (PDU) according to the prior art;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 및 연료 전지 차량용 파워 디스커넥팅 유닛(PDU)과 동력 연결 제어장치의 구성을 도시한 도면.2 is a diagram showing the configuration of a power disconnecting unit (PDU) and a power connection control apparatus for a hybrid and fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.
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