KR100767522B1 - 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과도한 전류의 공급시 브레이크 저항으로 전기에너지를 소모하여 브레이크의 제동성을 향상시키기 위한 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템에 관한 것으로, 연료 전지로부터 공급되는 전기에너지가 슈퍼 캐패시터로 초기 충전되도록 브레이크 저항을 통해 전류가 흐르게 하는 프리-차지 모드; 및 상기 슈퍼 캐패시터의 전압이 정격전압 이상일 경우 전류 경로를 통해 브레이크 저항으로 전기에너지를 소모하여 제동 성능을 향상시키는 브레이크 쵸퍼 모드;로 구성되는 것을 특징으로 하며, 콘덴서의 전압 상승을 방지하여 절연파괴가 되는 것을 방지하고, 전력용 반도체소자의 소손을 방지하며, 전동기의 토오크의 맥동현상을 방지하는 효과를 제공한다.

브레이크, 쵸퍼, 프리-차지 모드, 제동

Description

자동차 브레이크 쵸퍼 시스템{A break chopper system of vehicle}

도 1은 일반적인 인버터와 교류전동기에서 역발전시의 전류의 흐름을 보인 회로도.

도 2는 종래의 DC 링크 콘덴서에서 전압이 상승되는 현상을 보인 그래프.

도 3은 브레이크 쵸퍼의 동작을 보인 그래프.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템의 양방향 쵸퍼의 동작 모드를 보인 회로도.

도 5는 본 발명에 따른 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템에서 브레이크 쵸퍼 동작을 보인 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명*

10: 연료전지 20: 슈퍼 캐패시터

30: 브레이크 저항

본 발명은 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과도한 전류의 공급시 브레이크 저항을 통해 전기에너지를 소모하여 브레이크의 제동 성을 향상시키기 위한 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 쵸퍼(chopper)는 "잘게 썰다"라는 의미를 가지는 것으로, DC 에너지를 입력받아 DC에너지를 잘게 나누어 출력하는 전력변환기이다.

대용량 전동기의 가변속 구동에서 특히 관성(inertia)이 큰 부하를 가지고 회전하는 경우 감속과 정지할 때 관성에 의해 교류전동기로부터 DC전원으로 역발전(re-generation)되는 전기에너지의 양은 매우 크다.

역발전에 의해 DC 전압을 충전하고 있는 콘덴서(condenser)로 되돌아오는 과도한 에너지 때문에 콘덴서에 절연파괴가 발생하는 것을 방지하기 위한 목적으로 DC링크 양단에 쵸퍼와 저항을 직렬로 연결하여 DC 링크에 되돌아오는 과전압을 저항에서 전기에너지를 열에너지로 소모하는 것이 일반적인 쵸퍼의 역할이다.

도 1은 종래의 DC 링크를 갖는 인버터와 부하인 교류전동기에서 역발전시의 전류의 흐름을 보이고 있다.

그러나, 상기와 같이 역발전에 의해 DC 링크로 되돌아오는 전류는 도 2에서와 같이 DC 링크 콘덴서의 전압을 상승시키게 된다.

상기 콘덴서 전압이 상승하게 되면 콘덴서의 정격전압에 가깝게 되어 절연파괴를 발생시킬 수 있으며, 인버터 동작시 큰 DC 전압에 의해 전력용 반도체소자(IGBT)가 소손되거나 전동기 토오크가 맥동하게 되므로 DC 전압은 일정하게 제어하는 것이 바람직하지만, 현재에는 DC 전압을 일정하게 완벽히 제어할 수 있는 시스템이 마련되지 못하고 있다.

특히, DC 전압이 일정 전압 이상이 되면 쵸퍼를 동작시켜 전기에너지를 저항 으로 전류를 흘려보내 열에너지로 소모하면 DC 링크의 전압을 일정하게 제어하고 있지만, 이 또한 완벽히 제어하지는 못하고 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 과도한 전류의 공급시 브레이크 저항을 통해 전기에너지를 소모하여 브레이크의 제동성을 향상시키기 위한 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템을 제공하는 데에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템은, 연료 전지로부터 공급되는 전기에너지가 슈퍼 캐패시터로 초기 충전되도록 브레이크 저항을 통해 전류가 흐르게 하는 프리-차지 모드; 및 상기 슈퍼 캐패시터의 전압이 정격전압 이상일 경우 전류 경로를 통해 브레이크 저항으로 전기에너지를 소모하여 제동 성능을 향상시키는 브레이크 쵸퍼 모드;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 브레이크 쵸퍼 모드는, 중앙제어기와 CAN 통신에 의해 작동/멈춤이 이루어지는 단계; 상기 작동 단계에서 소정의 듀티비(duty ratio)를 구현하는 단계; 및 구현된 상기 듀티비만큼 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복하는 단계;로 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 브레이크 쵸퍼 모드의 듀티비는 10 내지 100%의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 브레이크 쵸퍼 모드에서 브레이크 쵸퍼의 동작은 5KHz의 주파수로 온/오프되게 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 프리-차지 모드는 상기 브레이크 쵸퍼 모드의 듀티비에 상관없이 턴-온만을 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 브레이크 쵸퍼의 동작을 보인 그래프이고, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템의 양방향 쵸퍼의 동작 모드를 보인 회로도이며, 도 5는 본 발명에 따른 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템에서 브레이크 쵸퍼 동작을 보인 그래프이다.

본 발명의 실시예를 설명하기 이전에 쵸퍼 제어 이론을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

교류전동기의 감속 또는 정지 시에는 역발전되는 전기에너지를 얼마만큼 빨리 소진하느냐가 브레이크 제동 성능에 커다란 영향을 미친다.

따라서, 회생(re-generation)되는 전기에너지를 브레이크 저항으로 연결하는 경로를 형성하면 전동기에 축적된 자기에너지(Electro-Magnetic Motive Force)가 급격히 감소하므로 전동기 제동시에 저항을 사용하는 것은 효과적이다.

쵸퍼장치의 제어를 위해서는 DC 전압을 검출하여 제어기에서 항상 감시하고 있다가 설정된 과전압 레벨 이상의 DC 전압이 되면 쵸퍼를 동작시킨다.

쵸퍼를 동작시킬 때 오랫동안 턴온(turn-on) 상태를 유지하게 되면 DC 링크의 전압이 급격히 감소하므로 쵸퍼의 동작은, 도 3에 도시된 바와 같이, 특정주파 수를 갖는 펄스형태의 운전이 바람직하다.

상기 쵸퍼장치의 쵸핑(chopping)하는 펄스의 주파수와 동작시간은 사용하는 브레이크 저항의 용량과 저항값 및 DC 링크를 구성하고 있는 콘덴서 용량 및 내압에 의해 결정된다.

도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라서 과도한 전류의 공급시 브레이크 저항으로 전기에너지를 소모하여 브레이크의 제동성을 향상시키기 위한 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템은 프리-차지 모드와 브레이크 쵸퍼 모드로 구성된다.

상기 프리-차지 모드에서는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 연료 전지(fuel cell, 10)로부터 공급되는 전기에너지가 슈퍼 캐패시터(20)로 초기 충전되도록 브레이크 저항(30)을 통해 전류가 흐르게 된다.

초기 충전시에 온 또는 오프 제어를 하게 되면 슈퍼 캐패시터에 DC 900V의 전압 스트레스(Stress)가 인가되므로 전력용 반도체 스위치의 제어는 듀티 100%인 지속적인 온(On)상태를 유지하여 충전을 한다.

전력용 반도체소자(IGBT)를 오프(Off)하게 되면 배선과 저항에 존재하는 기생 인덕턴스(Parasitic Inductance)에 의해 연속되는 전류가 흐르며 전류의 경로는 도 4b에 도시된 바와 같은 형태가 된다.

이때, 전력용 반도체 소자(IGBT)와 역병렬로 접속된 다이오드(DIODE)에 의해 전류가 연속으로 흐를 수 있는 경로를 형성하게 되어 턴오프시 전력용 반도체 소자(IGBT)에 인가되는 전압스트레스를 줄일 수 있다.

교류전동기가 역발전하면 회생(Regeneration)되는 전기에너지는 슈퍼 캐패시터(20)로 충전되며 역발전 시간이 길어지면 슈퍼 캐패시터(20)의 전압이 상승하게 되는 원리는 종래의 기술을 통해 공지되어 있다.

상기 슈퍼 캐패시터(20)의 전압이 정격전압(Rated Voltage) 이상으로 상승하면 슈퍼 캐패시터(20)에 손상이 발생하므로 일정 전압에서 전기에너지를 방전하여야 슈퍼 캐패시터(20)를 보호할 수 있게 된다.

전기에너지는 브레이크용 저항을 통해 열에너지로 소모되며 도 4c 및 도 4d와 같은 경로를 통해 전기에너지가 방전된다.

한편, 교류전동기의 제동을 위해서는 앞서 설명한 바와 같이 역발전되는 회생에너지를 빠르게 소모하여야 제동성능을 향상할 수 있으므로 도 4c 및 도 4d와 같은 전류 경로를 통해 브레이크 저항으로 전기에너지를 소모하여 제동 성능을 향상할 수 있다.

상기 브레이크 쵸퍼 모드에서는 슈퍼 캐패시터(20)의 전압이 정격전압 이상일 경우 전류 경로를 통해 브레이크 저항(30)으로 전기에너지가 소모되어서 제동 성능이 향상된다.

상기 브레이크 쵸퍼 모드의 작동은, 중앙제어기와 CAN 통신에 의해 작동/멈춤이 이루어지는 단계; 상기 작동 단계에서 소정의 듀티비(duty ratio)를 구현하는 단계; 및 구현된 상기 듀티비 만큼 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복하는 단계;로 이루어진다.

일반적인 브레이크 쵸퍼는 최소펄스와 최대펄스의 듀티비가 10~90% 정도의 비로 제어되나 지속적인 브레이크 구간동안 교류전동기로부터 역발전되는 전기에너지의 양이 과도할 경우를 대비하여 10~100% 비율을 갖는 듀티비를 구현하는 것이 바람직하다.

상기 브레이크 쵸퍼의 동작은 5KHz의 주파수로 빠르게 온오프하도록 설계되어 있다.

따라서, 브레이크용 쵸퍼는 중앙제어기와 CAN통신에 의해 RUN/STOP, 듀티비(Duty Ratio), 프리차지 또는 브레이크 쵸퍼 모드(Mode)를 전달 받아 해당 듀티비 만큼 도 5에 도시된 바와 같이 턴온(TurnOn), 턴오프(TurnOff)하게 된다.

여기서, 프리차지 모드의 경우에는 듀티비에 의한 턴온턴오프(Turn on or Turn off)를 하지 않고 지속적인 턴온(TurnOn)만을 수행하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템을 이용하면, 콘덴서의 전압 상승을 방지하여 절연파괴가 되는 것을 방지하고, 전력용 반도체소자의 소손을 방지하며, 전동기의 토오크의 맥동현상을 방지하는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 과도한 전류의 공급시 브레이크 저항으로 전기에너지를 소모하여 브레이크의 제동성을 향상시키기 위한 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템에 있어서,

   연료 전지(10)로부터 공급되는 전기에너지가 슈퍼 캐패시터(20)로 초기 충전되도록 브레이크 저항(30)을 통해 전류가 흐르게 하는 프리-차지 모드; 및

   상기 슈퍼 캐패시터(20)의 전압이 정격전압 이상일 경우 전류 경로를 통해 브레이크 저항(30)으로 전기에너지를 소모하여 제동 성능을 향상시키는 브레이크 쵸퍼 모드;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 브레이크 쵸퍼 모드는,

   중앙제어기와 CAN 통신에 의해 작동/멈춤이 이루어지는 단계;

   상기 작동 단계에서 소정의 듀티비(duty ratio)를 구현하는 단계; 및

   구현된 상기 듀티비만큼 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 브레이크 쵸퍼 모드의 듀티비는 10 내지 100%의 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프리-차지 모드는 상기 브레이크 쵸퍼 모 드의 듀티비에 상관없이 턴-온만을 수행하는 것을 특징으로 하는 자동차 브레이크 쵸퍼 시스템.

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