KR101284329B1 - 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자를 안정되게 보호할 수 있도록 하는 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치 및 방법이 개시된다.
본 발명은 3상 교류전압에 의해 구동되는 모터, 고전압이 저장되는 배터리, 배터리 전압을 상 변환시키기 위해 전력 스위치 소자가 상측 아암과 하측 아암으로 구성되는 인버터, 상 변환 제어를 위해 PWM신호를 출력하는 제어기를 포함하며, 제어기에서 출력되는 PWM 신호를 분석하여 전력 스위치 소자의 아암 단락 발생조건인지를 판정하고, 아암 단락 발생조건이면 제어기에 PWM신호의 출력 중지를 요청하는 이상판별부를 포함한다.

Description

하이브리드 자동차의 인버터 보호장치{APPARATUS FOR INVERTER PROTECTION OF HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 자동차에 관한 것으로, 보다 더 상세하게는 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자를 안정되게 보호할 수 있도록 하는 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치에 관한 것이다.

차량에 대한 끊임없는 연비 향상의 요구와 각 나라의 배출가스 규제의 강화에 따라 친환경 자동차에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 대한 현실적인 대안으로 하이브리드 자동차가 주목받고 있다.

하이브리드 자동차의 용어는 좁은 의미로, 연료전지 자동차, 전기자동차와 구별될 수 있으나, 본 명세서에서 하이브리드 자동차의 용어는 순수 전기자동차와 연료전지 자동차를 포괄하는 넓은 의미로서 하나 이상의 배터리가 구비되고 그 배터리에 저장된 전기에너지가 자동차의 구동력으로 사용되는 자동차를 지칭하는 의미로 사용된다.

하이브리드 자동차는 엔진과 변속기, 모터, 인버터, 배터리를 포함하며, 제어기에 의하여 각 단품의 상태가 제어되어 동력을 전달하는 구조로 되어 있다.

하이브리드 자동차의 모터는 고전압이 저장되는 배터리의 전원에 의해 운전되므로, 높은 효율 특성을 얻기 위하여 속도 제어영역과 토크 제어영역이 넓은 특성을 지닌 매입형 영구자석 모터가 사용된다.

인버터는 전력 스위치 소자가 직렬로 연결되어 구성되고 U⁺,V⁺,W⁺상을 발생시키기 위한 상측 아암(Arm)과 U^-,V^-,W^-상을 발생시키기 위한 하측 아암(Arm)으로 구성된다.

상기 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자는 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

인버터는 도시되지 않은 제어기(Motord Control Unit : MCU)에서 인가되는 PWM신호에 의해 스위칭되어 배터리에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터에 공급한다.

그러나, 제어기에서 PWM신호가 비정상적으로 출력되어 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자가 같은 상의 상측 아암과 아측 아암이 동시에 온(On) 되는 경우 아암 단락(Arm Short)으로 인하여 전력 스위치 소자를 파손시키게 된다.

따라서, 종래의 하이브리드 자동차에서는 게이트 드라이브(Gate Drive)에서 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자가 같은 상의 상측 아암과 하측 아암이 동시에 온 되는 경우 아암 단락이 발생되었음을 감지하여 고장코드를 발생시키고 있다.

그러나, 종래의 하이브리드 자동차에 적용되어 있는 상기의 고장검출은 아암 단락이 발생한 이후에 보호하는 구조이며, 아암 단락의 발생이 누적되는 경우 해당 전력 스위치 소자를 파손시키는 문제점을 발생시킨다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 제어기에서 출력되는 PWM신호를 분석하여 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 아암 단락을 발생시키는 조건이면 PWM신호의 출력을 차단하여 전력 스위치 소자를 안정되게 보호할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 특징에 따르면 3상 교류전압에 의해 구동되는 모터; 고전압이 저장되는 배터리; 배터리 전압을 U,V,W상으로 변환시키기 위해 전력 스위치 소자가 상측 아암과 하측 아암으로 구성되는 인버터; 상기 인버터의 상 변환 제어를 위해 PWM신호를 출력하는 제어기;를 포함하며, 제어기에서 출력되는 PWM 신호를 분석하여 전력 스위치 소자의 아암 단락 발생조건인지를 판정하고, 아암 단락 발생조건이면 제어기에 PWM신호의 출력 중지를 요청하는 이상판별부를 포함하는 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치가 제공된다.

상기 이상판별부는 제어기가 출력하는 PWM신호에서 같은 상의 상측 아암과 아측 아암을 제어하는 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하면 해당 상을 출력시키는 전력 스위치 소자의 아암 단락 조건으로 판정할 수 있다.

상기 이상판별부는 같은 상의 상측 아암과 하측 아암을 제어하는 PWM신호를 합산하는 가산기; 상기 가산기를 통해 합산된 PWM신호를 설정된 기준전압과 비교하여 그 결과를 출력하는 비교기; 상기 비교기에서 출력되는 신호가 전력 스위치 소자의 아암 단락을 발생시키는 조건이면 제어기에 PWM신호의 출력중지를 요청하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 제어기에서 출력되는 같은 상의 PWM 신호를 검출하여 두 신호의 합을 산출하는 과정; 상기 두 신호의 합과 설정된 기준전압을 비교하여 기준전압을 초과하는 판단하는 과정; 상기 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하면 해당 상을 출력하는 전력 스위치 소자의 상측 아암과 하측 아암의 단락 발생 조건으로 판정하여 PWM 신호의 출력 중지를 실행시키는 과정을 포함한다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 하이브리드 자동차에서 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자를 안정되게 보호할 수 있어 인버터의 내구성 및 상품성 향상을 제공하고 신뢰성을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치에서 이상판별부의 상세구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 인버터 보호 절차를 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치는 MCU(10)와 인버터(20), 배터리(30), 모터(40) 및 이상판별부(50)를 포함한다.

MCU(10)는 하이브리드 자동차의 구성되는 최상위 제어기로, 독립된 하위 제어기들을 네트워크로 연결하여 제반적인 운용 및 관리를 실행하며, 모터(40)의 구동에 필요한 3상 교류전압의 공급을 위해 PWM신호를 인버터(20)에 인가한다.

인버터(20)는 전력 스위치 소자가 직렬로 연결되어 구성되고 U⁺,V⁺,W⁺상을 발생시키기 위한 상측 아암과 U^-,V^-,W^-상을 발생시키기 위한 하측 아암으로 구성된다.

인버터(20)를 구성하는 전력 스위치 소자는 트랜지스터, IGBT, MOSFET 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

인버터(20)는 MCU(10)에서 인가되는 PWM신호에 따라 배터리(30)에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(40)에 공급한다.

배터리(30)는 고전압 에너지를 저장하여 모터(40)에 동력원으로 공급한다.

모터(40)는 속도 제어영역과 토크 제어영역이 넓은 특성을 지닌 매입형 영구자석 모터로 적용되며, 인버터(20)에서 인가되는 3상 교류전압에 의해 동작되어 구동속도 및 토크가 조정된다.

이상판별부(50)는 상기 MCU(10)에서 출력되는 PWM 신호를 분석하여 인버터(20)를 구성하는 전력 스위치 소자의 아암 단락을 발생시키는 조건인지를 판정하고, 아암 단락 발생조건이면 MCU(10)에 PWM신호가 비정상적으로 출력되고 있음을 통지하여 PWM신호가 출력되는 것을 차단한다.

상기 이상판별부(50)는 MCU(10)에서 U,V,W상을 생성시키기 위해 출력되는 PWM신호에서 같은 상의 상측 아암을 제어하는 PWM신호와 하측 아암을 제어하는 PWM신호를 검출하여 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하는지를 판단하고, 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하면 해당 상을 출력시키는 전력 스위치 소자의 아암 단락 조건으로 판정한다.

그리고, MCU(10)에 PWM 신호의 출력에 이상이 있음을 통지하여 PWM신호의 출력을 중지시킴으로써, 인버터(20)를 구성하는 전력 스위치 소자의 파손이 발생되는 것을 방지한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치에서 이상판별부의 상세구성을 도시한 도면이다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 이상판별부는 같은 상의 상측 아암과 하측 아암을 제어하는 PWM신호를 합산하는 가산기(51)와, 상기 가산기(51)를 통해 합산된 PWM신호를 설정된 기준전압과 비교하여 그에 대한 정보를 출력하는 비교기(52) 및 비교기(52)에서 출력되는 신호가 전력 스위치 소자의 아암 단락을 발생시키는 조건이면 MCU(10)측에 PWM신호의 출력중지를 요구하는 제어부(53)로 구성된다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치의 동작은 다음과 같이 실행된다.

본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차에서 MCU(10)에서 출력되는 PWM신호에 따라 배터리(30)에 저장된 직류전압을 인버터(20)를 통해 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(40)에 구동전압으로 공급하는 동작은 통상적인 동작과 동일하게 실행되므로, 이에 대한 구체적인 동작은 생략한다.

본 발명은 MCU(10)에서 출력되는 PWM신호가 인버터(20)를 구성하는 전력 스위치 소자의 아암 단락을 발생시키는 조건이면 인버터 보호를 실행하는 것인바, 이에 대한 동작에 대해서만 설명한다.

본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차가 운전이 개시되거나 운전중인 상태에서(S101) 최상위 제어기인 MCU(10)는 배터리(30)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시키기 위하여 PWM신호를 출력하여 인버터(20)에 인가한다.

이때, 이상판별부(50)는 MCU(10)에서 U,V,W상을 생성시키기 위해 출력되는 PWM신호에서 같은 상의 상측 아암을 제어하는 PWM신호(PWM_T)와 하측 아암을 제어하는 PWM신호(PWM_B)를 검출하여(S102) 두 신호의 합을 산출한다(S103).

이후, 상기 산출된 두 신호의 합과 설정된 기준전압을 비교하여(S104), 설정된 기준값을 초과하는지를 판단한다(S105).

상기 S105에서 MCU(10)는 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하지 않으면 PWM신호의 정상적인 출력으로 판정하고(S106), 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하면 해당 상을 출력시키는 전력 스위치 소자의 아암 단락 조건으로 판정한다(S107).

그리고, MCU(10)에 PWM 신호의 출력에 이상이 있음을 통지하여 PWM신호의 출력을 중지시킴으로써, 인버터(20)를 구성하는 전력 스위치 소자의 파손이 발생되는 것을 방지한다(S108).

상기 이상판별부(50)는 가산기(51)를 통해 MCU(10)에서 출력되는 PWM신호에서 같은 상의 상측 아암을 제어하는 PWM신호(PWM_T)와 하측 아암을 제어하는 PWM신호(PWM_B)를 검출하여 두 신호의 합을 산출하여 그 결과를 비교기(52)에 인가한다.

비교기(52)는 가산기(51)에서 제공되는 두 신호의 합과 설정된 기준전압을 비교하여 두 신호의 합이 설정된 기준값을 초과하는지를 판단하고, 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하지 않으면 PWM신호의 정상적인 출력으로 판정하여 현재의 제어상태가 유지될 수 있도록 한다.

그러나, 비교기(52)는 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하면 해당 상을 출력시키는 전력 스위치 소자의 아암 단락 조건으로 판정하여, MCU(10)에 PWM 신호의 출력에 이상이 있음을 통지하여 PWM신호의 출력 중지를 요청한다.

예를 들어, U상의 출력시키기 위하여 U상 상측 아암을 제어하는 PWM신호와 U상 하측 아암을 제어하는 PWM신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하는 상태이면 U상을 출력시키는 상측 아암과 하측 아암이 동시에 온시켜 아암 단락을 발생시키는 조건으로 판정한다.

따라서, 상측 아암과 하측 아암을 구성하는 전력 스위치 소자를 보호하기 위하여 MCU(10)측에 PWM신호의 출력 중지를 요청한다.

또한, 다른 예로 V상의 출력시키기 위하여 V상 상측 아암을 제어하는 PWM신호와 V상 하측 아암을 제어하는 PWM신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하는 상태이면 V상을 출력시키는 상측 아암과 하측 아암이 동시에 온시켜 아암 단락을 발생시키는 조건으로 판정한다

또한, 다른 예로, W상의 출력시키기 위하여 W상 상측 아암을 제어하는 PWM신호와 W상 하측 아암을 제어하는 PWM신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하는 상태이면 W상을 출력시키는 상측 아암과 하측 아암이 동시에 온시켜 아암 단락을 발생시키는 조건으로 판정한다

이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10 : MCU 20 : 인버터
30 : 배터리 50 : 이상판별부

Claims (3)

1. 삭제
2. 3상 교류전압에 의해 구동되는 모터;
   고전압이 저장되는 배터리;
   배터리 전압을 U,V,W상으로 변환시키기 위해 전력 스위치 소자가 상측 아암과 하측 아암으로 구성되는 인버터;
   상기 인버터의 상 변환 제어를 위해 PWM신호를 출력하는 제어기;
   를 포함하고,
   상기 제어기에서 출력되어 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 같은 상(U,V,W) 상측 아암과 하측 아암에 인가되는 PWM 신호를 분석하여 두 신호의 합이 설정된 기준전압을 초과하면 해당 상을 출력시키는 전력 스위치 소자의 아암 단락 발생조건으로 판정하는 이상판별부;
   를 포함하며,
   상기 이상판별부는 같은 상의 상측 아암과 하측 아암을 제어하는 PWM신호를 합산하는 가산기;
   상기 가산기를 통해 합산된 PWM신호를 설정된 기준전압과 비교하여 그 결과를 출력하는 비교기;
   상기 비교기에서 출력되는 신호가 전력 스위치 소자의 아암 단락을 발생시키는 조건이면 제어기에 PWM신호의 출력중지를 요청하는 제어부;
   를 포함하는 하이브리드 자동차의 인버터 보호장치.
3. 삭제

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