KR101047410B1 - 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 임의의 시스템 고장으로 대용량 배터리와 고전압 전기동력부품간의 물리적 연결이 단절되는 경우, 모터의 회생에너지에 의해 시스템에 높은 과전압이 유기되어, 주변의 전기동력부품에 손상이 유발되는 방지하기 위한 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 대용량 배터리와 고전압부품인 인버터간의 스위치가 오프되는 고장모드시 인버터가 모터의 회생에너지를 제한하는 제어를 할 수 없게 되어, 모터의 회생에너지가 인버터에 저장되어 인버터의 DC-DC 링크 커패시터 전압이 상승하면서 고전압 부품에 과전압이 유기되는 현상을 방지하고자, 대용량 배터리와 고전압부품인 인버터간의 스위치 온/오프에 관계없이 모터의 온도를 따라 엔진 및 모터속도를 제한함으로써, 과전압 유기에 따른 고전압 부품의 소손을 방지할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법을 제공하고자 한 것이다.
하이브리드, 고전압 부품, 모터, 과전압, 인버터, 스위치, 대용량배터리, 모터 온도

Description

하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법{Fail-safe control method for HEV system}
본 발명은 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 임의의 시스템 고장으로 대용량 배터리와 고전압 전기동력부품간의 물리적 연결이 단절되는 경우, 모터의 회생에너지에 의해 시스템에 높은 과전압이 유기되어, 주변의 전기동력부품에 손상이 유발되는 방지하기 위한 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법에 관한 것이다.
연료전지-하이브리드 차량, 플러그인 하이브리드 차량, 하이브리드 전기자동차 등 여러가지 형태의 하이브리드 차량은 고전압배터리의 전기에너지가 인버터를 통해 모터로 전달되는 동시에 모터는 전기에너지를 기계에너지로 전환하여 동력을 바퀴에 전달하여 최초 주행이 이루어지고, 반면에 엔진 및 차량 바퀴의 기계적 에너지가 모터를 통해 회수(발전, 회생)됨과 함께 인버터를 통해 전기에너지로 전환되어 배터리와 같은 에너지 저장장치에 충전되는 회생제동모드를 갖는다.
첨부한 도 1은 하이브리드 시스템의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 차량의 주행 구동원으로서, 엔진(20)및 전기모터(30)를 포함하고, 엔진(20)에는 엔진 제어를 위한 엔진제어기(10: ECU)가 연결되고, 상기 모터(30)에는 모터제어기의 일종인 인버터(40)가 연결되어 있다.
또한, 상기 인버터(40)에는 스위치(90)를 사이에 두고 전기에너지의 저장 및 방전을 위한 에너지 저장 또는 발생장치(100: 대용량 에너지 저장장치)가 연결되고, 직류변환장치(60: DC-DC컨버터)에 의하여 12V 부하 또는 12V 배터리(70)가 연결되어 있다.
또한, 상기 에너지 저장 또는 발생장치(100)의 제어를 위한 배터리 제어기(80: BMS)와, 하이브리드 차량의 최상위 제어기인 주제어기(50: HCU)가 더 포함함되어 있다.
이때, 상기 인버터(40), 직류변환장치(60)와 스위치(90)가 연결되는 노드의 전압을 시스템 전압이라 한다.
이러한 구성을 기반으로 이루어지는 하이브리드 차량의 일반적인 회생 운전시, 모터의 회생에너지 크기는 인버터에 의해서 제어되며, 인버터의 DC-링크(DC-link)는 대용량 배터리즉, 에너지 저장 또는 발생장치와 연결되어 있어 회생된 에너지는 대용량 배터리에 충전되므로 인버터의 DC-링크(DC-link) 전압이 급격하게 변화하지 않는다.
그러나, 인버터 고장 또는 인버터/배터리 연결 릴레이 등의 고장과 같은 일 부 시스템 고장으로 인하여, 인버터 등과 같은 고전압 부품과 메인배터리간의 연결이 단선(스위치 오프 또는 릴레이 오프)되는 경우, 일반적으로 인버터가 모터를 제어할 수 없으며, 따라서 모터의 회생에너지를 제한할 수 없고, 엔진이나 차량속도에 비례하는 모터의 회생에너지가 인버터에 계속해서 쌓이게 된다.
상기 인버터의 에너지 저장장치로 사용되는 DC-링크(DC-link) 커패시터는 일반적으로 메인배터리에 비하여 아주 적은 용량이고, 인버터와 메인배터리간 연결이 끊어진 상태이므로, 회생된 에너지는 아주 짧은 순간에 DC-링크(DC-link) 커패시터 전압을 상승시킬 수 있다.
이렇게 유기된 과전압은 인버터 뿐만아니라 DC-DC컨버터와 같이 고전압을 사용하는 다른 부품에 손상을 줄 수 있다.
따라서, 상기 인버터와 DC-DC컨버터를 비롯한 부품은 과전압의 유기에 의하여 소손되지 않을 정도로 내압의 서브부품을 사용해야 하지만, 이는 재료비 증대에 따른 원가상승, 그리고 부품의 사이즈 및 무게 상승, 시스템 효율의 저하 등을 유발하는 문제점이 된다.
이러한 종래의 문제점을 첨부한 도 2a 및 도 2b를 참조로 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 모터속도와 시스템 전압간의 관계를 나타내는 그래프로서, 도 2a는 스위치(90)의 상태에 따른 특성이며, 도 2b는 모터 온도에 따른 특성을 각각 나타낸다.
도 2a에서, 상기 스위치 온(on) 상태에서는 모터속도에 무관하게 시스템 전 압이 대용량 에너지 저장장치(100)에 의하여 일정범위내로 한정된다.
그러나, 스위치 오프(off)인 경우에는 대용량 에너지 저장장치(100)와의 연결이 끊어지고, 일반적으로 인버터(40)가 모터의 전류를 제어할 수 없게 된다.
상기 모터속도에 따라 시스템 전압이 비례적으로 증가하며 과도하게 커진 전압은 추가적으로 다른 부품에 과도한 전압을 인가하여 해당 부품의 소손을 유발시킨다.
이때 유기되는 시스템 전압은 도 2b에 도시된 바와 같이 모터 특성에 따라 온도가 낮으면 더 큰 값이 되고, 온도가 높으면 값이 작아진다.
이에, 모터속도에 따른 시스템 전압이 쌓여서 발생되는 과도한 전압에 의하여 추가적으로 부품이 소손되는 것을 방지하기 위한 하드웨어적인 방법으로는 모든 부품들을 매우 높은 전압에서도 소손되지 않도록 고전압 서브 부품을 사용하는 방법이 있으나, 이는 가격이나 부피/무게 측면에서 바람직하지 않다.
이에 반해, 모터속도에 따른 시스템 전압이 쌓여서 발생되는 과도한 전압에 의하여 추가적으로 부품이 소손되는 것을 방지하기 위한 제어적 방법으로는 스위치 오프시 엔진속도를 제한하여 엔진과 동일한 속도로 회전하는 모터속도를 제한하여 과전압 유기 현상을 방지할 수 있는 방법이 제안되었으나, 이 방법이 또한 엔진 및 모터가 고속으로 운전하는 중에 스위치의 오프 상황이 발생하면 엔진속도를 낮은 값으로 제어하는 속도(수백 ms)에 비해서 과전압 유기속도(수ms)가 휠씬 빨라서 부품 소손 현상을 방지할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 상기 스위치 오프는 스위치 자체 고장 등 여러가지 상황에서 예기치 않게 발생되므로, 기본적으로 스위치 오프를 사전에 미리 인지하거나 스위치 오프 시간을 지연할 수 없다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 대용량 배터리와 고전압부품인 인버터간의 스위치가 오프되는 고장모드시 인버터가 모터의 회생에너지를 제한하는 제어를 할 수 없게 되어, 모터의 회생에너지가 인버터에 쌓이는 동시에 순간적으로 인버터의 DC-DC 링크 커패시터 전압이 상승하면서 고전압 부품에 과전압이 유기되는 현상을 방지하고자, 대용량 배터리와 고전압부품인 인버터간의 스위치 온/오프에 관계없이 모터의 온도를 따라 엔진 및 모터속도를 제한함으로써, 과전압 유기에 따른 고전압 부품의 소손을 방지할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 시스템의 모터에 대한 현재온도를 검출하는 단계와; 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 작은 경우에만 엔진 및 모터의 속도를 감소시키는 제어가 이루어지는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법을 제공한다.
바람직하게는, 본 발명은 상기 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 큰 경우, 엔진 및 모터속도는 최고속도(RPMmax)까지 운전되는 단계와; 최고속도(RPMmax)로 운전중 대용량 배터리와 인버터간의 스위치가 오프되어도 시스템 전압이 최고전압(Vmax) 이하로 유지되는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면 상기 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 작은 경우, 엔진 및 모터의 속도를 시스템 전압이 최고전압(Vmax) 이하가 되는 속도(RPMtemp)로 감소시키는 제어가 이루어져, 대용량 배터리와 인버터간의 스위치가 오프되어도 시스템 전압이 최고전압(Vmax) 이하로 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 대용량 배터리와 고전압부품인 인버터간의 스위치 온/오프에 관계없이 모터의 현재온도를 검출하고, 검출된 모터의 현재온도가 특정의 설정온도보다 작은 경우에만 엔진 및 모터속도를 시스템 전압이 최고전압 이하가 되는 속도로 제한하여, 스위치가 의도하지 않게 오프되어도 시스템 전압은 최고전압(Vmax) 이하로 유지되므로, 종래에 스위치 오프에 따른 과전압이 고전압부품에 인가되어 소손이 발생되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 모터 온도 검출에 의한 제어를 통해, 종래의 하드웨어적인 방법으로 모든 부품들을 고전압 서브 부품을 사용하지 않아도 되므로, 원가절감 및 하이브리드 시스템 성능 향상을 도모할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 기재에서 사용된 용어중, 에너지 저장장치, 에너지 저장 또는 발생장치, 대용량 에너지 저장장치, 대용량 배터리, 메인배터리는 서로 동일한 구성이고, 그리고 메인스위치, 스위치도 서로 동일한 구성인 바, 이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 각각 대용량 배터리와 스위치로 통일하게 기재하기로 한다.
첨부한 도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 하이브리드 시스템은 하이브리드 차량의 주행 구동원인 엔진(20) 및 전기모터(30)와, 엔진(20) 제어를 위한 엔진제어기(10: ECU)와, 모터제어기의 일종인 인버터(40)와, 전기에너지의 방전 또는 충전을 하는 대용량 배터리(100)와, 상기 인버터(40)와 대용량 배터리(100)간의 전기적 연결을 위한 일종의 릴레이인 스위치(90)와, 직류변환장치(60) 및 12V 배터리(70)를 포함하여 구성되어 있다.
이러한 하이브리드 시스템에 대한 종래의 제어 방법으로서, 상술한 바와 같이 모터 구동장치의 고장에 의해서 대용량 배터리(100)와 고전압 부품인 인버터(40)간을 전기적으로 연결하는 스위치(90)가 오프되는 경우, 즉 도 3에 도시된 순서도에서 보는 바와 같이 스위치의 상태를 확인하여 스위치가 오프로 판정되는 경우, 엔진속도를 5500RPM 이하로 낮추어주는 제어가 이루어진다.
그러나, 엔진속도가 5500RPM 이상에서 스위치가 오프되는 경우, 엔진속도를 5500RPM 이하로 낮추는데 걸리는 시간(수ms)은 일반적으로 과전압이 유기되어 고전압 부품인 인버터 등이 소손되는 시간(약 수백ms)보다 길어서 부품 소손을 막고자하는 목적을 실현할 수 없는 문제점이 있었다.
여기서, 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 고전압 부품 소손 방지 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법을 설명하는 순서도이다.
본 발명은 대용량 배터리와 고전압부품인 인버터간의 스위치 온/오프에 관계없이 모터의 온도를 따라 엔진 및 모터속도를 제한함으로써, 과전압 유기에 따른 고전압 부품의 소손을 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
본 발명에 따르면, 대용량 배터리와 고전압부품인 인버터간에 연결된 스위치의 온/오프 상태에 따라 엔진 및 모터속도를 제한하는 것이 아니라, 스위치의 온/오프 상태에 관계없이 모터의 현재온도(Temp)를 감지하고, 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 작은 경우에 엔진 및 모터의 속도를 감소하는 제어가 이루어지도록 한다.
즉, 상술한 바와 같이 모터속도에 따라 시스템 전압이 비례적으로 증가하여 과도하게 커진 전압은 추가적으로 다른 부품에 과도한 전압을 인가하여 해당 부품의 소손을 유발시키고, 이때 유기되는 시스템 전압은 도 2b에 도시된 바와 같이 모 터 특성에 따라 온도가 낮으면 더 큰 값이 되고, 온도가 높으면 값이 작아지는 원리를 갖는 원리를 감안하면, 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 작은 경우에 엔진 및 모터의 속도를 시스템 전압이 과전압으로 유지되지 않는 정도로 감소하는 제어가 이루어지도록 한다.
첨부한 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 큰 경우, 엔진 및 모터속도는 제한을 위한 제어를 받지 않으며 최고속도(RPMmax)까지 운전될 수 있고, 최고속도(RPMmax)로 운전중 상기 스위치가 의도하지 않게 오프되어도 시스템 전압은 최고전압(Vmax) 이하로 유지되어진다.
반면에, 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 작은 경우, 엔진 및 모터속도는 시스템 전압이 최고전압(Vmax) 이하가 되는 속도(RPMtemp)로 제한되는 제어를 받게 되고, 이에 상기 스위치가 의도하지 않게 오프되어도 시스템 전압은 최고전압(Vmax) 이하로 유지되므로, 종래에 스위치 오프에 따른 과전압이 고전압부품에 인가되어 소손이 발생되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
도 1은 하이브리드 시스템의 구성을 설명하는 시스템 연결도,
도 2는 하이브리드 시스템에서, 모터속도와 시스템 전압간의 관계를 나타내는 도면으로서, 도 2a는 스위치의 온/오프 상태에 따른 특성이며, 도 2b는 모터 온도에 따른 특성을 각각 나타내는 그래프,
도 3은 종래의 하이브리드 시스템의 엔진 및 모터의 속도를 제한하는 로직을 설명하는 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지를 위해 모터온도를 이용하여 엔진 및 모터 속도를 제한하는 것을 설명하는 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지를 위해 모터온도를 이용하여 엔진 및 모터 속도를 제한하는 것을 설명하는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 ECU 20 : 엔진
30 : 모터 40 : 인버터
50 : 주제어기 60 : 직류변환장치
70 : 12V 부하 또는 12V 배터리 80 : 배터리 제어기
90 : 스위치 100 : 대용량 배터리

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 하이브리드 시스템의 모터에 대한 현재온도를 검출하는 단계;
    모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 작은 경우에만 엔진 및 모터의 속도를 감소시키는 제어가 이루어지는 단계;
    를 포함하며,
    상기 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 큰 경우, 엔진 및 모터속도를 최고속도(RPMmax)까지 운전되게 제어하여, 최고속도(RPMmax)로 운전중 대용량 배터리와 인버터간의 스위치가 오프되어도 시스템 전압이 최고전압(Vmax) 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 모터의 현재온도(Temp)가 특정의 설정온도(Tmin)보다 작은 경우, 엔진 및 모터의 속도를 시스템 전압이 최고전압(Vmax) 이하가 되는 속도(RPMtemp)로 감소시키는 제어가 이루어져, 대용량 배터리와 인버터간의 스위치가 오프되어도 시스템 전압이 최고전압(Vmax) 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 고전압 부품 소손 방지 방법.
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