KR100610829B1 - 전기자동차의 동력 제어장치 - Google Patents

전기자동차의 동력 제어장치 Download PDF

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Abstract

전기자동차에서 DC 링크(Link) 커패시터의 온도를 검출하여 모터의 출력 거동을 제어하여 커패시터의 과열에 의한 소손을 방지하고, 모터의 안정된 출력 거동 제어를 통해 모터의 과열을 방지하도록 하는 것으로,
상위 제어기에서 요구되는 차량의 각 운전 조건에 따라 상기 모터의 거동을 결정 제어하는 CCU 와 메인 배터리의 DC 전류를 3상 교류 전류로 상변환하는 인버터가 포함되는 MCU 및 BMS의 출력단에 커패시터가 직렬로 연결되어 상기 인버터에 공급되는 전류를 평활하는 DC 링크로 구성되는 전기자동차의 동력계에 있어서,
상기 DC 링크의 하우징 소정 위치에 장착되어 커패시터의 평활 작용에 따라 발생되는 주변 온도를 검출하는 온도센서와, CCU의 내부에 상기 온도센서의 신호를 분석하여 정격 시간 이상 혹은 정격 용량 이상의 모터거동에 따른 커패시터의 과열 여부를 모니터링하여 이에 적절하게 모터의 거동을 제어하는 모니터링부가 포함되는 것을 특징으로 한다.
전기자동차, DC 링크, 과열 방지, 거동 제어

Description

전기자동차의 동력 제어장치{A POWER CONTROL SYSTEM OF ELECTRIC VEHICLE}
도 1은 본 발명에 따른 전기자동차의 동력 제어장치에 대한 개략적 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 동력 제어장치에서 CCU의 상세 구성 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 동력 제어장치에서 커패시터 온도에 따른 동력 제어의 관계를 도시한 도면.
도 4는 종래 전기자동차의 동력 제어장치에 대한 개략적 구성도.
도 5는 전기자동차의 동력 제어장치에서 DC 링크 커패시터의 정상시 전류 맥동을 측정한 그래프.
도 6은 전기자동차의 동력 제어장치에서 DC 링크 커패시터의 고장시 전류 맥동을 측정한 그래프.
본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 DC 링크(Link) 커패시터의 온도를 검출하여 모터의 출력 거동을 제어하여 커패시터의 과열에 의한 소손 을 방지하고, 모터의 안정된 출력 거동 제어를 통해 모터의 과열을 방지하도록 하는 전기자동차의 동력 제어장치에 관한 것이다.
차량 대수의 폭발적인 증가에 따른 대기 오염이 사회적 문제로 대두됨에 따라 한정된 천연자원을 사용하지 않는 환경 친화적인 전기자동차가 상용화 단계에 접어들고 있다.
전기자동차의 동력 전달계의 구성은 첨부된 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 대략적으로 DC 150V의 고전압을 충전하고 있는 메인 배터리(10)와, 상기 메인 배터리(10)의 SOC(State Of Charge), 온도 등 기반 성능을 관리하는 BMS(Battery Management System ; 20)와, 전기자동차의 주행을 위한 토크를 발생시키는 영구자석을 이용한 모터(40) 및 차량의 각 운전 조건에 따라 상기 모터(40)의 거동 성능을 결정하여 제어하는 모터 제어기인 MCU(Motor Control Unit ; 30)으로 구성된다.
상기에서 MCU(30)는 커패시터(C1,C2)가 직렬로 연결되어 이루어지는 DC 링크(31)와 모터(40)의 제반 거동을 제어하여 주는 중앙제어장치인 CCU(Center Control Unit ; 32) 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자로 이루어지며, CCU(32)에서 출력되는 PWM 제어신호에 따라 상보적으로 스위칭되어 DC 전류를 3상 교류 전류로 출력하는 인버터(33)로 구성된다.
상기의 DC 링크(31)는 상기 BMS(20)의 출력 직류 링크단에 커패시터(C1,C2)의 연결로 구성되며, 상기 커패시터(C1,C2)는 인버터(33)에 공급되는 전류를 평활하여 인버터(33)의 입력 직류 전원을 안정화시키고, 전자파 잡음을 감소 및 제거하여 준다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 전기자동차의 동력계의 작동은 다음과 같이 실행된다.
다양한 차량의 운전 조건에 대한 모터(40)의 거동 제어 요구가 도시되지 않은 상위 제어기로부터 MCU(30)에 검출되면 MCU(30)내의 CCU(32)는 상위 제어요구에 따라 PWM 신호를 출력하여 인버터(33)에 공급한다.
따라서, IGBT 소자로 이루어지는 인버터(33)는 PWM 신호에 따라 상보적으로 스위칭되어 메인 배터리(10)에서 공급되는 DC 전류(IBATT)를 3상 교류 전류 변환시켜 모터(40)의 고정자 각 상(U,V,W)에 상전류를 공급하여 모터(40)의 거동이 수행될 수 있도록 한다.
이때, DC 링크(31)의 커패시터(C1,C2)는 인버터(33)에 공급되는 전류를 평활하여 인버터(33)의 입력 직류 전원을 안정화시키고, 전자파 잡음을 제거하여 모터(40)의 거동이 안정되게 유지하여 준다.
상기한 바와 같은 종래의 전기자동차의 동력계는 정격 시간 혹은 정격 용량 이상으로 모터의 출력 거동이 제어되는 경우와 기준치 이상의 고온이 유지되는 주변온도의 조건에서 정격이상의 운전이 수행되는 경우 DC 링크의 커패시터가 과열에 의해 소손 및 파손이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 상기 DC 링크의 커패시터 소손 및 파손으로 인하여 고맥동(High Ripple)의 직류 전류가 인버터에 유입되어져 모터의 출력토크 제어가 불안정해져 차량의 운전조건에 맞는 정확한 모터 거동성능 제어가 불가능할 뿐만 아니라 전자 파 잡음으로 인한 RFI(Radio Frequency Interference) 현상 등의 문제가 발생하며, MCU내 적용 스위칭소자들에까지 손상을 일으키는 문제점이 있다.
그러나, 종래의 전기자동차에는 커패시터의 보호 대책 및 소손 판별에 대한 기능이 포함되어 있지 않아 궁극적으로 동력계의 파손 및 소손 발생을 회피할 수 없으며, 이에 대한 적극적인 제반 조치를 능동적으로 수행할 수 없는 단점이 있다.
특히, 실차 혹은 시스템의 운용 상태에서 제어 알고리즘 자체 혹은 별도의 계산법에 의한 추정만으로는 DC 링크 커패시터의 소손 유무를 판별하는 것이 불가능하므로, 현재 커패시터의 소손 여부를 판단하기 위하여 MCU를 분해한 다음 육안 또는 냄새를 이용하여 판별하고 있는 실정이다.
또한, 계측기를 이용한 직류 전류의 파형 관측으로 커패시터의 소손 및 파손여부를 관측한다.
즉, 커패시터의 소손 및 파손이 발생하는 경우 도 6과 같이 고맥동의 전류 파형이 발생되므로, 이를 도 5와 같은 정상 상태에서의 파형과 비교하여 판단하는 방법이다.
그러나, 이의 경우 실차에 적용하는 경우 별도의 계측장비 혹은 실험장치를 탑재해야 하므로 높은 비용의 상승이 유발되며, 현실적으로 적용이 불가한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 DC 링크 커패시터의 온도를 검출하여 모터의 출력 거동을 제어하여 커패시터의 과 열에 의한 소손을 방지하고, 모터의 안정된 출력 거동 제어를 통해 모터의 과열을 방지하며, DC 링크 커패시터의 소손 여부를 모니터링 하여 출력 토크의 제어에 안정성 및 전자파 간섭의 발생이 배제되도록 한 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 메인 배터리; 모터; 메인 배터리의 기반 성능을 관리하는 BMS; 상위 제어기에서 요구되는 차량의 각 운전 조건에 따라 상기 모터의 거동을 결정 제어하는 CCU 와 메인 배터리의 DC 전류를 3상 교류 전류로 상변환하는 인버터가 포함되는 MCU 및 상기 BMS의 출력단에 커패시터가 직렬로 연결되어 상기 인버터에 공급되는 전류를 평활하는 DC 링크로 구성되는 전기자동차의 동력계에 있어서,
상기 DC 링크의 하우징 소정 위치에 장착되어 커패시터의 평활 작용에 따라 발생되는 주변 온도를 검출하는 온도센서와; 상기 CCU의 내부에 상기 온도센서의 신호를 분석하여 정격 시간 이상 혹은 정격 용량 이상의 모터거동에 따른 커패시터의 과열 여부를 모니터링하여 이에 적절하게 모터의 거동을 제어하는 모니터링부가 포함되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치를 제공한다.
상기 모니터링부는 상기 온도센서에서 인가되는 신호로부터 온도 정보를 검출하는 온도검출회로와; 상기 온도검출회로에서 인가되는 신호와 설정되는 기준값을 비교하여 그에 대한 결과를 출력하는 비교기와; 상기 비교기의 출력에 따라 스위칭되어 DC 링크의 온도 정보(VT)를 출력하는 트랜지스터와; 상기 트랜지스터에서 출력되는 온도 정보(VT)에 따라 모터의 거동을 제어하는 제어부 및 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 인버터의 구동을 드라이브하는 인버터 구동회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 전기자동차의 동력 제어장치는, 전기자동차의 동력원으로 대략 DC 150V의 고전압을 충전하고 있는 메인 배터리(100)와, 상기 메인 배터리(100)의 SOC, 온도 등 기반 성능을 관리하는 BMS(200)와, 주행을 위한 토크를 출력하는 모터(400) 및 상위 제어기에서 요구되는 차량의 각 운전 조건에 따라 상기 모터(400)의 거동 성능을 결정 제어하는 MCU(300)로 구성된다.
상기 MCU(300)는 모터(400)의 제반 거동을 제어하는 CCU(320)와, CCU(320)에서 출력되는 PWM 신호에 따라 상보적 스위칭을 통해 DC 전류를 3상 교류 전류로 출력하는 인버터(330) 및 상기 BMS(200)의 출력단에 커패시터(C11,C21)를 직렬로 연결하여 인버터(330)에 공급되는 전류를 평활하여 전자파 잡음 제거 및 안정화시키키는 DC 링크(310)로 구성된다.
또한, 상기 DC 링크(310)의 하우징 소정 위치에 커패시터(C11,C21)의 평활 작용에 따라 발생되는 주변 온도를 검출하는 온도센서(311)가 장착된다.
그리고, 상기 CCU(320)의 내부에 상기 DC 링크(310)의 하우징에 장착되는 온 도센서(311)의 신호를 분석하여 정격 시간 이상 혹은 정격 용량 이상의 모터(400)거동에 따른 커패시터(C11,C21)의 과열 여부를 모니터링하여 이에 적절하게 모터(400)의 거동을 제어하는 모니터링부(320A)가 더 포함된다.
상기의 모니터링부(320A)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 온도센서(311)에서 인가되는 DC 링크(310)의 온도 정보를 검출하는 온도검출회로(320A-1)와, 상기 온도검출회로(320A-1)에서 인가되는 신호와 저항(Rc)으로 설정되는 기준값을 비교하여 그에 대한 결과를 출력하는 비교기(320A-2)와, 상기 비교기(320A-2)의 출력에 따라 스위칭되어 DC 링크(310)의 온도 정보(VT)를 출력하는 트랜지스터(Q1)와, 상기 트랜지스터(Q1)에서 출력되는 온도 정보(VT)에 따라 모터(400)의 거동을 제어하는 제어부(320A-3) 및 상기 제어부(320A-3)의 제어신호에 따라 인버터(330)의 구동을 드라이브 하는 인버터 구동회로(320A-4)로 구성된다.
상기에서 트랜지스터(Q1)는 베이스 단자에 상기 비교기(320A-2)의 출력이 연결되고 컬렉터 단자에 전원(Vc)이 연결되며 에미터 단자에 저항(RT)이 접속되어, DC 링크(310)의 온도가 상기 저항(Rc)으로 설정되는 기준 전압 이상으로 검출되는 경우 도통되어 온도 정보(VT)는 "하이" 신호로 출력하여 제어부(320A-3)에 인가된다.
그러나, 상기 DC 링크(310)의 온도가 기준 전압 이하이면 오프 상태를 유지하여 온도 정보(VT)는 그라운드에 연결되는 저항(RT)의 값으로 "로우" 상태로 출력하여 제어부(320A-3)에 인가된다.
따라서, 제어부(320A-3)는 인가되는 DC 링크(310)의 온도 정보(VT)에 따라 모터(400)의 거동을 제어한다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(320A-3)는 검출되는 온도 정보(VT)가 그래프에서와 같이 Tr2의 주변으로 수렴하는 "하이"로 검출되는 경우 모터(400)가 정격 시간 이상 혹은 정격 용량 이상으로 구동되고 있는 것으로 판단하여 출력 토크 저감 제어를 수행시킴으로써 모터(400) 권선이 과열되는 것과 DC 링크(310) 커패시터(C11,C21)가 과열로 인해 소손되는 것을 차단하여 준다.
상기와 같이 모터(400)의 출력 토크 저감 제어에 따라 제어부(320A-3)에 검출되는 온도 정보(VT)가 그래프에서와 같이 Tr1의 주변으로 수렴하는 "로우"로 검출되는 경우 모터(400)의 출력 토크가 더 이상 저감되지 않고, 운전 조건에 따른 출력 토크가 유지될 수 있도록 복귀하여 준다.
상기의 출력 토크의 가변 범위에 운전성에 영향을 미치지 않는 조건의 히스테리시스 가변값으로 설정한다.
또한, DC 링크(310) 커패시터(C11,C21)에 대한 온도 제어의 제한치 역시 설정값의 범위, 예를 들어 Tr1 이상 Tr2 이하의 범위로 설정하여 모터(400)의 출력 토크가 운전성에 영향을 미치지 않고 안정된 상태가 유지되도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 DC 링크 커패시터의 온도 변화를 모니터링하여 모터의 거동을 제어함으로써 DC 링크 커패시터의 과열로 인한 소손 및 파 손이 방지되고, 이에 따라 인버터에 공급되는 전류를 안정화시켜 전기자동차의 운행에 안정성 및 신뢰성이 제공된다.
또한, 안정된 모터의 거동 제어에 의해 모터의 권선 코일에 대한 과열이 방지되어 내구성 및 운행에 안정성이 제공된다.

Claims (8)

  1. 메인 배터리;
    모터;
    메인 배터리의 기반 성능을 관리하는 BMS;
    상위 제어기에서 요구되는 차량의 각 운전 조건에 따라 상기 모터의 거동을 결정 제어하는 CCU 와 메인 배터리의 DC 전류를 3상 교류 전류로 상변환하는 인버터가 포함되는 MCU 및;
    상기 BMS의 출력단에 커패시터가 직렬로 연결되어 상기 인버터에 공급되는 전류를 평활하는 DC 링크로 구성되는 전기자동차의 동력계에 있어서,
    상기 DC 링크의 하우징 소정 위치에 장착되어 커패시터의 평활 작용에 따라 발생되는 주변 온도를 검출하는 온도센서와;
    상기 CCU의 내부에 상기 온도센서의 신호를 분석하여 정격 시간 이상 혹은 정격 용량 이상의 모터거동에 따른 커패시터의 과열 여부를 모니터링하여 이에 적절하게 모터의 거동을 제어하는 모니터링부가 포함되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 온도센서에서 인가되는 신호로부터 온도 정보를 검출하는 온도검출회로와;
    상기 온도검출회로에서 인가되는 신호와 설정되는 기준값을 비교하여 그에 대한 결과를 출력하는 비교기와;
    상기 비교기의 출력에 따라 스위칭되어 DC 링크의 온도 정보(VT)를 출력하는 트랜지스터와;
    상기 트랜지스터에서 출력되는 온도 정보(VT)에 따라 모터의 거동을 제어하는 제어부 및;
    상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 인버터의 구동을 드라이브하는 인버터 구동회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비교기의 기준전압은 저항(Rc)값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 베이스 단자에 상기 비교기의 출력이 연결되고, 컬렉터 단자에 전원(Vc)이 연결되며, 에미터 단자에 저항(RT)이 접속되어, 스위칭 동작을 통해 DC 링크의 온도정보(VT)를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
  5. 제2항 있어서,
    상기 제어부는 트랜지스터에서 온도 정보(VT)가 "하이" 신호로 검출되는 경우 모터의 출력 토크를 저감 제어하고, 온도 정보(VT)가 "로우" 신호로 검출되면 토크 저감된 출력을 복귀시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 DC 링크의 온도에 따라 출력 토크를 제어하기 위한 가변 범위를 운전성에 영향을 미치지 않는 조건의 히스테리시스 가변값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 DC 링크에 대한 과열 방지 온도 제어의 제한치를 운전성에 영향을 미치지 않는 일정 범위의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부에 설정되는 과열 방지 온도 제어의 제한치는 소정의 온도(10℃) 이하의 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 동력 제어장치.
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