KR100488741B1 - 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법 - Google Patents

전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법 Download PDF

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Abstract

전기자동차에서 MCU내 DC 링크 라인의 초기 전압과 충전에 따른 전압 상승률을 감지하여 이상 발생여부와 종류 및 그 원인을 모니터링 하는 것으로,
MCU에서 모터 시동을 위한 전원 온 신호가 출력되면 DC 링크 커패시터의 초기 전압을 체크하여 0V의 전압를 유지하고 있는지를 판단하는 과정과, DC 링크 커패시터의 초기 전압이 0V 전압을 유지하고 있는 상태이면 프리챠지 릴레이의 스위칭을 통해 DC 링크 커패시터의 프리 챠지를 진행하는 과정과, 상기 프리 챠지의 진행에 따른 DC 링크 커패시터의 전압 상승률을 체크하는 과정과, 상기 프리 챠지의 전압 상승률이 정상적인 범위에서 이루어지면 프리 챠지의 종지 전압을 체크하는 과정과, 상기 프리 챠지 종지 전압이 정상적인 충전 완료로 판단되면 메인 릴레이의 스위칭을 통해 부하의 손실없이 배터리의 전원을 DC 링크의 커패시터에 공급하여 충전시키는 과정과, 상기 부하 손실 없는 충전 과정에서의 DC 링크 커패시터의 전압 상승률을 체크하는 과정과, 상기 전압 상승률이 정상범위에서 안정되게 유지되면 충전 종지 전압이 배터리의 전압을 유지하는지를 판단하는 과정과, 상기 충전 종지 전압이 배터리 전압을 유지하면, 모터를 시동시켜 주행이 수행되도록 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법{METHOD FOR DC LINK LINE PRE-CHARGE MONITOR AND CONCLUSION ON MOTOR CONTROL UNIT OF ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 모터제어유닛(Motor Control Unit ; 이하 'MCU'라 통칭한다.)내 DC 링크 라인의 초기 전압과 충전에 따른 전압 상승률을 감지하여 이상 발생여부와 종류 및 그 원인을 모니터링 하는 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관을 사용하는 자동차의 폭발적인 증가에 따른 대기 오염이 사회적 문제로 대두되고 있어, 환경 친화적인 전기자동차의 연구 개발이 활발하게 진행되어 실용화 단계에 접어들고 있다.
전기자동차는 주동력원으로 배터리를 사용하고 있으며, 구동력 발생을 위하여 배터리 전압에 의해 구동되는 전동기인 모터를 적용하고 있으며, 이 모터는 배터리로부터 전원이 공급되는 경우에 모터로 작동하고, 차량의 제동시 발전기로 작동하여 제동시 발생되는 회생 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 배터리에 충전 전압으로 공급한다.
상기한 바와 같이 전기자동차에서 검출되는 차량의 각종 운전 상태 정보 및 운전자의 요구에 따라 모터의 구동 속도 및 토크 제어를 위하여 모터에 공급되는 상전류 및 전류량을 제어하는 MCU는 초기 전원 온시 동력원인 배터리의 전압 레벨과 MCU내 DC 링크 라인에 충전되는 전압의 레벨이 같은 상태로 유지되어야 만이 모터를 제어할 수 있는 상태가 된다.
따라서, 초기 전원 온 시에 MCU내의 DC 링크 라인에 충전이 진행되는 동안 임의의 오류가 발생하여 DC 링크 라인에 충전되는 전압의 레벨이 배터리의 전압 레벨로 동등해지지 않는 경우 MCU는 모터를 제어할 수 없는 불능 상태로 진입한다.
종래의 전기자동차의 MCU에 적용되고 있는 DC 링크 라인의 충전 전압 레벨 검출 방법은 DC 링크 라인의 종지 전압만을 이용하여 충전 상태를 확인하는 방법을 적용하고 있으나, 이의 경우 MCU 내 DC 링크 라인의 충전 도중에 발생할 수 있는 여러 가지의 이유로 인하여 충전 이상이 발생하는 경우 이에 대하여 대처할 수 없으며, 충전 이상을 발생시킨 원인에 대하여 분석할 수 없는 방법이 제공되고 있지 않다.
또한, DC 링크 라인의 종지 전압만을 이용함에 따라 충전전까지 충전 이상을 감지하지 않음으로, 충전 동작의 중간에 발생할 수 있는 고장에 대하여 대처하지 못함으로써 충전 회로에 심각한 손상을 초래시키는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 MCU에 DC 링크 라인의 충전중에 발생할 수 있는 다양한 충전 이상에 대하여 정의하여 설정하고 전원 공급 초기시에 DC 링크 라인의 초기 전압과 충전에 따른 전압 상승률을 감지하여 이상이 검출되면 정의된 테이블로부터 그 종류와 이상 발생 원인을 판단하여 이상 발생 원인에 대한 손쉬운 분석 및 발생된 이상 상태에 대하여 신속한 수리 복구가 수행될 수 있도록 한 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 MCU에서 모터 시동을 위한 전원 온 신호가 출력되면 DC 링크 커패시터의 초기 전압을 체크하여 0V의 전압를 유지하고 있는지를 판단하는 과정과; DC 링크 커패시터의 초기 전압이 0V 전압을 유지하고 있는 상태이면 프리챠지 릴레이의 스위칭을 통해 DC 링크 커패시터의 프리 챠지를 진행하는 과정과; 상기 프리 챠지의 진행에 따른 DC 링크 커패시터의 전압 상승률을 체크하는 과정과; 상기 프리 챠지의 전압 상승률이 정상적인 범위에서 이루어지면 프리 챠지의 종지 전압을 체크하는 과정과; 상기 프리 챠지 종지 전압이 정상적인 충전 완료로 판단되면 메인 릴레이의 스위칭을 통해 부하의 손실없이 배터리의 전원을 DC 링크의 커패시터에 공급하여 충전시키는 과정과; 상기 부하 손실 없는 충전 과정에서의 DC 링크 커패시터의 전압 상승률을 체크하는 과정과; 상기 전압 상승률이 정상범위에서 안정되게 유지되면 충전 종지 전압이 배터리의 전압을 유지하는지를 판단하는 과정과; 상기 충전 종지 전압이 배터리 전압을 유지하면, 모터를 시동시켜 주행이 수행되도록 하는 과정을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 전기자동차에서 메인 배터리와 MCU간의 동력 연결 구성은 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 주 동력원으로 도시되지 않은 모터의 구동에 필요한 전원을 공급하는 메인 배터리(10)와, 운전자의 주행 의지와 검출되는 각종 차량 상태 정보에 따라 모터의 구동 속도 및 토크 제어를 위한 각 상별 전류량을 제어하는 MCU(20) 및 메인 배터리(10)와 MCU(20)간의 전원을 연결하는 동력 전달 패스(30)로 구성된다.
상기에서 메인 배터리(10)는 대용량 배터리로, 대략 DC 300V의 전압을 충전 저장한다.
MCU(20)는 전원 공급 초기, 즉 시동 초기시에 메인 배터리(10)로부터 동력 전달 패스(30)를 통해 공급되는 전압에 의해 충전되는 DC 링크 라인인 복수개의 캐패시터(C21)C22), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭 소자로 이루어지며, 게이팅 신호에 의한 스위칭을 통해 DC 전압을 3상 전원으로 변환시켜 모터측에 각 상전류를 인가하는 인버터(21)로 이루어진다.
동력 전달 패스(30)는 시동 초기시에 MCU(20)내의 커패시터(C21)(C22)에 프리 챠지(Precharge)를 수행시키기 위하여 접점이 스위칭되는 제1릴레이(31) 및 제2릴레이(32)와, 상기 커패시터(C21)(C22)가 일정 레벨 이상의 전압으로 충전되면, 상기 커패시터(C21)(C22)의 충전 전압 레벨과 메인 배터리(10)의 전압 레벨이 동등한 레벨로 유지시키기 위하여 스위칭 온 되는 제3릴레이(33)로 구성된다.
상기한 구성에서 전원 공급에 대한 동작은 다음과 같다.
MCU(20)에서 시동을 위한 전원 온 신호가 인가되면 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 프리 챠지를 위하여 동력 전달 패스(30)내의 제1릴레이(31) 및 제2릴레이(32)의 접점이 스위칭 온 된다.
따라서, ①과 같은 전원 공급 패스가 형성되므로, MCU(20)내의 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)는 메인 배터리(10)에서 공급되는 전원에 의해 충전되며, 충전되는 전류는 저항(R31)에 의해 제한되므로 급격한 충전 전류의 공급으로 인하여 커패시커(C21)(C22)가 파손되는 것을 방지하여 준다.
즉, 저항(R31)이 대략 200Ω으로 적용된다고 가정하고, 메인 배터리(10)의 충전 전압이 300V라 가정하면, 커패시터(C21)(C22)에 공급되는 전류는 오옴의 법칙(I = V/R)에 의해 1.5A 정도의 전류가 공급된다.
이와 같은 충전 동작에 의해 MCU(20)내의 커패시터(C21)(C22)가 설정된 일정 레벨로 충전이 이루어지면, MCU(20)는 제1릴레이(31)의 스위칭 온 접점을 스위칭 오프의 접점으로 전환시킴과 동시에 부하가 연결되어 있지 않은 제3릴레이(33)의 접점을 스위칭 온으로 하여 ②와 같은 전원 공급 패스를 형성하여 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 전압 레벨을 메인 배터리(10)의 전압 수준으로 유지시켜 준다.
따라서, DC 링크인 커패시터(C21)(C22)와 메인 배터리(10)의 전압차이에 의해 발생되는 돌입 전류의 유입을 차단시켜 MCU(20)를 구성하는 회로를 보호한다.
상기한 바와 같은 과정으로 충전이 수행되는 상태에서 충전 이상 감시 및 그 원인을 판단하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.
전기자동차가 시동 오프를 유지하고 있는 MCU(20)내의 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 초기 상태에서 MCU(20)에서 시동을 위한 전원 온 신호가 출력되는지[MCU_CHG_ENABLED==1]를 판단한다(S101).
상기 S101의 판단에서 시동을 위한 전원 온 신호가 출력되지 않는 것으로 판단되면, 현재의 상태[MCU_State = MCU_SHUTDOWN]를 유지하고(S102), 시동을 위한 전원 온 신호의 출력으로 판단되면 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 상태를 감지하여 메인 배터리(10)의 전압 레벨과 같은 수준이 유지되는 충전 완료 상태인지[MCU_CHG_COMP==1]를 판단한다(S103).
상기에서 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)가 충전 완료 상태인 것으로 판단되면 인버터(21)의 게이팅을 통해 모터의 시동을 온[MCU_State = MCU_INHIBIT] 시킨다(S104).
그러나, DC 링크인 커패시터(C21)(C22)가 0V의 전압을 유지하는 것으로 판단되면 프리 챠지 카운터가 시작되지 않았는지[Pre_chg_counter ＜ 1.0]를 판단하며(S105), 프리챠지 카운터가 시작되지 않은 초기 상태이면 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 전압이 프리챠지 시작 전압, 즉 0V 이상을 유지하고 있는지[VDC ＞ Vbatt_prechg_start]를 판단한다(S106).
상기에서 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 전압이 프리챠지 시작 전압이상을 유지하는 것으로 판단되면, 제1릴레이(31) 혹은 제3릴레이(33)의 소손으로 인하여 메인 배터리(10)와 MCU(20)가 단락되어 있는 이상[Err_DCBUS_INITVOLT]으로 판단하여 그에 대한 메시지 혹은 정보를 출력한다(S107).
그러나, 상기 S106의 판단에서 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 전압이 프리챠지 시작 전압 이하, 즉 0V를 유지하는 것으로 판단되면 제1릴레이(31) 및 제2릴레이(32)의 접점을 온으로 형성시켜 메인 배터리(10)을 전원이 DC 링크인 커패시커(C21)(C22)에 공급되어 충전 동작이 수행되도록 함과 동시에 프리챠지 카운터를 개시[Set_Pre_RLY, Pre_chg_counter++]한다(S108).
상기와 같이 메인 배터리(10)의 전원이 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)에 공급되면, 시간의 경과에 따라 프리 챠지가 완료되었는지[MCU_PRE_CHG_COMP=1]를 판단한다(S109).
상기에서 프리챠지가 완료된 것으로 판단되면 전압 상승률 분석하여 설정된 최소 및 최대 전압 상승률의 범위[dv_prechg_min ＜ dv_prechg ＜ dc_prechg_max]내에서 정상적인 상승률로 프리챠지 되었는지를 판단한다(S110).
상기 S110의 판단에서 전압 상승률이 설정된 최소 및 최대의 범위를 벗어난 비 정상적인 전압 상승률로의 충전이 이루어지고 있는 것으로 판단되면 제1릴레이(31)의 접점 불량 혹은 전원선의 단선으로 인한 이상 충전[Err_DCBUS_RATE_MAIN]으로 판단하여 그에 대한 메시지 및 정보를 출력한다 (S111).
그러나, 전압 상승률이 정상적인 상승률을 유지하는 것으로 판단되면 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 전압이 메인 배터리(10)의 정상 전압 이상을 유지하는지[VDC＞Vbatt_nominal]를 판단한다(S112).
상기 S112의 판단에서 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 전압이 메인 배터리(10)의 정상 전압 이상을 유지하는 것으로 판단되면 모터 제어가 가능한 정상적인 충전이 완료된 것으로 판단하여 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 완료에 대한 플래그를 설정하고[MCU_CHG_COMP=1], 제1릴레이(31)와 제2릴레이(32) 및 제3릴레이(33)의 동작이 정상적이며[RLY_STA_OK], 프리 챠지 완료에 대한 플레그를 설정한 후[Pre_chg-counter=1] 모터를 시동시켜 차량이 주행되도록 한다(S113).
그러나, 상기 S112의 판단에서 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 충전 전압이 프리챠지 시작 전압 이하를 유지하는 것으로 판단되면 프리챠지 카운터를 증가시키는 충전을 동작을 지속적으로 유지하며(S114), 프리 챠지 카운터가 설정된 최대 카운터값을 초과하였는지[pre_chg_counter ＞ main_chg_counter_max], 즉 충전 시간이 설정된 일정시간을 초과하였는지를 판단한다(S115).
상기에서 충전 시간이 설정된 일정시간을 초과한 것으로 판단되지 않으면, 상기 S112의 과정으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 충전 시간이 설정된 일정시간을 초과한 것으로 판단되면 메인 배터리(10)가 불량(소손)이거나 낮은 SOC(State Of Charge)를 유지함으로써 정상적인 전압을 출력하지 못하는 상태 혹은 전원선 또는 DC 링크인 커패시터의 누설 전류 발생 또는 커패시터의 불량으로 인한 충전 이상[Err_DCBUS_TIMEOUT_MAIN]으로 판단하여 그에 대한 메시지 및 정보를 출력한다(S116).
상기 S109의 판단에서 DC 링크인 커패시터(C21)(C22)의 프리 챠지가 완료되지 않은 것으로 판단되면 현재의 충전 전압 상승률이 설정된 최소 및 최대 전압 상승률의 범위[dv_prechg_min ＜ dv_prechg ＜ dc_prechg_max]내에서 정상적인 충전이 이루어지고 있는지를 판단한다(S117).
상기 S117의 판단에서 프리 챠지가 설정된 범위내의 전압 상승률을 벗어나 충전이 진행되고 있는 것으로 판단되면 신호단자가 잘못된 연결, 예를 들어 제1릴레이(31)와 제3릴레이(33)의 스위칭 신호가 바뀌어 출력되고 있는 상태 혹은 전원선의 단선 또는 캐패시터의 소손으로 인한 단선, 프리챠저 저항의 소손 또는 제1릴레이(31)의 불량으로 인한 충전이상인 것으로 판단[Err_DCBUS_RATE_PRE]하여 그에 대한 메시지 및 정보를 출력한다(S118).
그러나, 상기 S117의 판단에서 프리 챠지의 전압 상승률이 설정된 범위내에서 정상적인 상승률을 갖고 증가하는 것으로 판단되면 DC 링크인 커패시터 (C21)(C22)에 충전된 전압이 프리챠지 완료 전압 이상으로 충전되었는지[VDC＞Vbatt_prechg_stop]를 판단한다(S119).
상기 S119의 판단에서 커패시터(C21)(C22)의 충전전압이 프리 챠지 완료 전압 이상으로 판단되면 프리 챠지 완료에 대한 플래그를 설정하고 제1릴레이(31)의 접점 오프 및 제3릴레이(33)의 접점을 온 한 후[MCU_PRECHG_COMP=1,Set_MAIN_RLY, pre_chg_counter=1] 상기 S109의 과정으로 리턴하여 전술한 과정의 동작이 수행되도록 한다(S120).
그러나, 상기 S119의 판단에서 커패시터(C21)(C22)의 충전전압이 프리 챠지 완료 전압에 도달하지 않은 상태이면 카운터를 증가시키는[pre_chg_counter++] 충전 상태를 유지하며(S121), 이 충전 유지상태에서 프리챠지 카운터가 설정된 최대 카운터를 초과하였는지[pre_chg_counter＞pre_chg_counter_max], 즉 프리챠지 유지시간이 설정된 기준 시간을 초과하였는지를 판단한다(S122).
상기에서 프리챠지 시간이 설정된 기준 시간을 초과하지 않은 상태이면, 상기 S117의 과정으로 리턴하여 전술한 동작을 반복하고, 기준 시간을 초과한 것으로 판단되면 전원선의 단선 또는 커패시터의 소손으로 인한 단선 혹은 제1릴레이(31)의 불량으로 인한 충전 이상으로[Err_DCBUS_TIMEOUT_PRE] 판단하여 그에 대한 메시지 및 정보를 출력한다(S123).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기자동차에서 모터 구동을 위한 전원 온 신호가 검출되는 경우 MCU내 DC 링크인 커패시터의 전압 충전 상태를 모니터링하여 충전에 대한 이상 발생여부 및 그 원인을 추출하여 이상 발생에 대한 복구에 있어 편리성과 신뢰성을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기자동차에서 메인 배터리와 모터제어유닛간의 동력 연결 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단을 수행하는 일 실시예의 흐름도.

Claims (6)

  1. 전기자동차에 있어서,
    MCU에서 모터 시동을 위한 전원 온 신호가 출력되면 DC 링크 커패시터의 초기 전압을 체크하여 0V의 전압를 유지하고 있는지를 판단하는 과정과;
    DC 링크 커패시터의 초기 전압이 0V 전압을 유지하고 있는 상태이면 프리챠지 릴레이의 스위칭을 통해 DC 링크 커패시터의 프리 챠지를 진행하는 과정과;
    상기 프리 챠지의 진행에 따른 DC 링크 커패시터의 전압 상승률을 체크하는 과정과;
    상기 프리 챠지의 전압 상승률이 정상적인 범위에서 이루어지면 프리 챠지의 종지 전압을 체크하는 과정과;
    상기 프리 챠지 종지 전압이 정상적인 충전 완료로 판단되면 메인 릴레이의 스위칭을 통해 부하의 손실없이 배터리의 전원을 DC 링크의 커패시터에 공급하여 충전시키는 과정과;
    상기 부하 손실 없는 충전 과정에서의 DC 링크 커패시터의 전압 상승률을 체크하는 과정과;
    상기 전압 상승률이 정상범위에서 안정되게 유지되면 충전 종지 전압이 배터리의 전압을 유지하는지를 판단하는 과정과;
    상기 충전 종지 전압이 배터리 전압을 유지하면, 모터를 시동시켜 주행이 수행되도록 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터 시동시 DC 링크 커패시터의 충전 전압이 0V 이상을 유지하면 프리 챠지 릴레이 또는 메인 릴레이의 소손으로 인한 배터리와 MCU간의 단락으로 판단하여 그에 대한 정보를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프리 챠지 진행에 따른 DC 링크 커패시터의 전압 상승률이 설정된 상,하한의 범위내에서 이루어지지 않으면 신호 단자의 잘못된 연결이나 전원 또는 커패시터의 단선. 프리 챠지 릴레이의 소손 또는 저항의 단선으로 판단하여 그에 대한 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC 링크 커패시터의 프리 챠지 종지 전압이 충전 완료 상태가 아니면 프리 챠지에 소요된 시간이 설정된 일정시간을 초과하였는지를 판단하는 과정과;
    프리 챠지 시간이 설정된 일정시간을 초과하지 않은 상태이면 연속적인 프리 챠지가 수행되도록 하고, 설정된 일정시간을 초과한 것으로 판단되면 전원선의 단선 또는 커패시터 소손, 프리 챠지 릴레이의 불량으로 판단하여 그에 대한 정보를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프리 챠지의 충전 완료 이후 부하의 손실이 없는 충전 과정에서 DC 링크의 전압 상승률이 설정된 상,하의 범위에 포함되지 않은 비정상적인 상승률을 유지하면 메인 릴레이의 불량 또는 전원선의 단선으로 판단하여 그에 대한 정보를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리 챠지의 충전 완료 이후 부하의 손실이 없는 충전이 진행되는 상태에서 충전 시간이 설정된 일정시간을 초과하였는지를 판단하여, 설정 시간을 초과하지 않은 상태이면 충전 동작을 지속하고, 설정 시간을 초과한 상태이면 배터리 불량 또는 배터리가 낮은 SOC를 유지하거나 커패시터 불량 혹은 전원선에 누설 전류가 발생되고 있는 것으로 판단하여 그에 대한 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기자동차에서 모터제어유닛의 충전 이상 감시/판단방법.
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