KR101610068B1 - 인버터 보호장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친환경 자동차에서 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도와 모터의 온도에 따라 모터 및 엔진속도를 제한하여 고전압 부품의 소손 방지를 제공하는 인버터 보호장치 및 방법이 개시된다.
본 발명은 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도를 측정하여 DC 링크의 최대 허용전압을 계산하는 과정, 모터의 온도를 측정하여 최대 허용속도를 계산하는 과정, 모터의 속도를 측정하여 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하는지 판단하는 과정, 모터의 속도가 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하면 DC 링크의 과충전 위험으로 판단하여 모터와 엔진의 속도를 제한하여 발전량을 감소시키는 과정을 포함한다.

Description

인버터 보호장치 및 방법{INVERTOR PROTECTION SYSTEN AND METHOD THEREOF}

본 발명은 친환경 자동차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도와 모터의 온도에 따라 모터 및 엔진속도를 제한하여 고전압 부품의 소손 방지를 제공하는 인버터 보호장치 및 방법에 관한 것이다.

하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 전기자동차 등을 포함하는 친환경 자동차는 메인 배터리에 저장된 직류 전압을 인버터를 이용하여 3상 교류전원으로 변환시켜 모터를 구동시키며, 모터의 구동력을 바퀴에 전달하여 주행이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 엔진 및 바퀴의 에너지를 모터를 이용하여 흡수(발전 혹은 회생)하고 인버터를 이용하여 배터리와 같은 에너지 저장장치에 충전한다.

감속에 따른 회생 운전시 모터의 회생 에너지 크기는 인버터에 의해서 제어되며, 인버터의 DC 링크는 대용량인 배터리와 연결되어 있어 회생된 에너지는 배터리에 충전되므로 DC 링크의 전압이 급격히 변화하지 않는다.

그러나, 인버터 고장이나 인버터와 배터리를 연결하는 메인 릴레이의 고장 등 일부 시스템의 고장으로 인하여 인버터 등 고전압 부품과 배터리 간의 단선(메인 릴레이 오프)이 발생한 경우 인버터가 모터를 제어할 수 없게 된다.

따라서, 모터의 회생 에너지를 제한할 수 없게 되어 엔진이나 차량속도에 비례하는 모터의 회생 에너지가 인버터에 축적된다.

인버터에서 에너지 저장장치로 사용되는 DC 링크는 배터리에 비하여 아주 적은 용량이고, 인버터와 배터리의 연결이 끊어진 상태이므로 회생된 에너지는 아주 짧은 순간에 DC 링크의 전압을 상승시킬 수 있게 된다.

도 4 및 도 5는 친환경 자동차에 적용되는 모터의 속도와 DC 링크 전압의 관계를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 배터리와 인버터를 연결하는 메인 릴레이가 온을 유지하는 정상적인 상태에서는 모터의 속도에 무관하게 일정 범위내로 한정된다.

그러나, 메인 릴레이가 오프된 비정상적인 상태에서는 인버터가 모터의 전류를 제어할 수 없게 되므로, 모터속도에 따라 DC 링크의 전압이 비례적으로 증가하며 과도하게 커진 전압은 추가적으로 다른 부품에 과도한 전압으로 인가되어 부품의 소손을 유발시키게 된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, DC 링크에 축적되는 전압은 모터의 특성에 따라 모터의 온도가 낮으면 DC 링크에 축적되는 전압은 큰 값이 되고, 모터의 온도가 높으면 DC 링크에 축적되는 전압은 작아진다.

이와 같이 인버터가 모터의 전류를 제어할 수 없는 상황에서 DC 링크에 순간적으로 축적되는 과전압은 인버터와 DC/DC컨버터와 같이 고전압을 사용하는 다른 부품에 치명적인 손상을 줄 수 있다.

따라서, 인버터나 DC/DC컨버터를 비롯한 모든 부품을 DC 링크로부터 유기된 과전압에 소손되지 않을 정도로 높은 내압을 갖는 부품으로 사용하여야 하나 이는 재료비 증대와 크기, 무게를 상승시키고 효율 저하를 유발시키는 단점이 있다.

제어적 방법으로 메인 릴레이의 오프시 엔진의 속도를 제한하여 엔진과 동일한 속도로 회전하는 모터의 속도를 제한하여 DC 링크에 순간적인 과충전을 방지하는 기술이 제공되고 있다.

그러나, 이 방법은 엔진과 모터가 고속으로 운전되는 도중에 메인 릴레이의 오프가 발생되면 엔진 속도를 낮은 값으로 제어하는 속도에 비하여 DC 링크의 과충전이 빠르게 실행되어 부품 소손을 방지할 수 없게 된다.

다른 방법으로 모터 구동장치의 고장에 의해서 배터리와 고전압 부품을 연결하는 메인 릴레이가 오프되는 경우 엔진의 속도를 5500RPM 이하로 제한하는 기술이 제공되고 있다.

그러나, 이 방법은 엔진의 속도가 5500RPM 이상에서 메인 릴레이가 오프되는 경우 엔진속도를 5500RPM 이하로 낮추는데 걸리는 시간은 DC 링크에서 과충전이 일어나 고전압 부품을 소손시키는 시간 보다 길어 부품의 소손을 막고자 하는 근본적인 목적을 달성할 수 없게 된다.

또 다른 방법으로, 메인 릴레이의 상태에 따라 엔진 및 모터의 속도를 제한하는 것이 아니라 메인 릴레이의 상태에 관계없이 단지 모터의 온도를 검출하여 모터의 온도가 설정된 특정온도 보다 낮은 경우에는 엔진과 모터의 속도를 온도에 따라 제한하는 기술이 제공된다.

그러나, 이 방법은 모터의 온도가 상승하는 시간 동안 엔진 및 모터의 속도가 제한되어 운전자의 불만을 초래하는 문제점을 발생시킨다.

예를 들어, 모터의 온도가 -30도에서 0도까지 상승하는데 엔진과 모터의 구동, 차량의 속도 등에 따라 대략 20분에서 1시간이 소요될 수 있어 차량의 성능 저하를 유발시키는 단점으로 작용된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 모터의 온도와 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도를 고려하여 모터와 엔진의 속도를 제한하여 DC 링크의 과충전이 발생되지 않도록 하여 고전압 부품의 소손 방지를 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 엔진과 모터를 구동원으로 갖는 친환경 자동차에 있어서, 다수개의 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 배터리의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 모터에 구동전압으로 공급하고, 모터의 회생 제동으로 발전되는 전압을 배터리에 공급하는 인버터; 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도와 모터의 온도를 검출하여 전력 스위치 소자의 온도와 모터의 온도에 따라 모터와 엔진의 속도를 제한하여 DC 링크의 충전전압을 안정되게 유지시키는 제어기를 포함하는 인버터 보호장치가 제공된다.

상기 제어기는 모터의 온도에 비하여 상대적으로 작은 온도상수를 갖는 전력 스위치 소자의 온도를 고려해서 속도제한이 가장 가혹한 3사분면을 상대적으로 짧은 시간에 2사분면으로 이동시켜 속도 및 성능제한 정도를 완화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도를 측정하여 DC 링크의 최대 허용전압을 계산하는 과정; 모터의 온도를 측정하여 최대 허용속도를 계산하는 과정; 모터의 속도를 측정하여 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하는지 판단하는 과정; 모터의 속도가 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하면 DC 링크의 과충전 위험으로 판단하여 모터와 엔진의 속도를 제한하여 발전량을 감소시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 보호방법이 제공된다.

상기 모터의 속도가 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하지 않으면 DC 링크의 충전이 안정된 상태로 판정하여 모터와 엔진의 속도를 현재의 운전모드로 제어할 수 있다.

상기 전력 스위치 소자의 빠른 온도 상승을 위해 엔진 운전점을 변경하고, 전력 스위치 소자에 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다.

상기 전력 스위치 소자의 빠른 온도 상승을 위해 전력 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증대시킬 수 있다.

상기 전력 스위치 소자의 빠른 온도 상승을 위해 모터의 구동 제어가 수행되지 않는 조건에서 전력 스위치 소자의 하측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 상측 아암을 모두 온으로 하거나 상측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 하측 아암을 모두 온으로 하여 제로 벡터를 인가시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 모터의 속도와 엔진의 속도를 안정되게 제어함으로써, 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자와 주변의 고전압 부품을 안정되게 보호할 수 있어 친환경 자동차의 운행에 안정성, 신뢰성이 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 보호장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 보호절차를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 온도와 전력 스위치 소자의 온도에 따른 모터 및 엔진속도 제한 관계를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 친환경 자동차에 적용되는 모터의 속도와 DC 링크 전압의 관계를 도시한 도면이다.

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 인버터 보호장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 배터리(110), 메인 릴레이(120), 인버터(130), 모터(140), 엔진(150), 변속기(160), 구동휠(170) 및 제어기(200)를 포함한다.

배터리(110)는 HEV모드에서 엔진(150)의 출력을 보조하기 위하여 모터(140)를 구동시키기 위한 전원을 출력하고, 회생제동 제어시 발전기로 동작되는 모터(140)에서 생성되는 전압을 충전한다.

메인 릴레이(120)는 배터리(110)와 인버터(130)의 사이에 배치되어 배터리(130)와 인버터(130)를 전기적으로 연결하거나 분리한다.

인버터(130)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sau, Sau'), V상 아암(Sav, Sav'), W상 아암(Saw, Saw')을 포함한다.

상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.

상기 인버터(130)는 제어기(200)에서 각각의 아암에 인가되는 PWM 신호에 따라 메인 릴레이(120)를 통해 공급되는 배터리(110)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 모터(140)에 구동전압으로 공급한다.

모터(140)는 3상 교류전동기로, 인버터(130)에서 공급되는 3상 교류전압의 의해 구동토크를 발생시키고, 회생 제동시 발전기로 동작되어 전압을 생성한다.

엔진(150)는 친환경 자동차에서 제1구동원으로 적용되어 주행 상황에 따라 최적의 운전점으로 구동된다.

변속기(160)는 운전모드에 따라 도시되지 않은 클러치를 통해 합산되어 인가되는 엔진(150)과 모터(140)의 출력토크를 차량의 운전 상황에 따라 적절한 변속비로 분배하여 구동휠(170)에 전달하여 자동차가 주행될 수 있도록 한다.

상기 변속기(160)는 자동변속기 혹은 무단변속기로 적용될 수 있다.

제어기(200)는 인버터(130)를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도를 검출하고, 모터(140)의 온도를 검출하여 전력 스위치 소자의 온도와 모터(140)의 온도에 따라 모터(140)와 엔진(150)의 속도를 제한하여 DC 링크의 전압을 안정되게 제어한다.

즉, DC 링크가 과충전되는 것을 방지한다.

상기 제어기(200)는 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 모터(140)의 온도에 비하여 상대적으로 작은 온도상수를 갖는, 빠르게 온도가 변화할 수 있는 전력 스위치 소자의 온도를 고려해서 속도제한이 가장 가혹한 3사분면을 상대적으로 짧은 시간에 2사분면으로 이동시켜 속도 및 성능제한 정도를 완화시킨다.

예를 들어, 반도체 스위치 소자의 정션 온도를 전류 및 모드에 따라 -30도에서 0도까지 수십초 또는 수분 내에 상승이 가능하다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에서 인버터 보호동작은 다음과 같이 실행된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 보호절차를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명이 적용되는 친환경 자동차가 운행되는 상태에서 제어기(200)는 인버터(130)에 구성되는 온도센서로부터 인버터(130)를 구성하고 있는 반도체 스위치 소자의 온도(Tj)를 측정하고(S101), 반도체 스위치 소자의 온도(Tj)에 따른 DC 최대 허용전압을 계산한다(S102).

그리고, 모터(140)의 소정 위치에 구성되는 온도센서로부터 모터(140)의 온도를 측정하고(S103), 모터(140)의 온도에 따른 최대 허용속도(S_max)를 계산한다(S104).

이후, 모터(140)의 속도(S)를 측정하여(S105) 상기 온도에 따라 계산된 최대 허용속도(S_max)를 초과하는지를 판단한다(S106).

상기 S106의 판단에서 제어기(200)는 모터(140)의 속도(S)가 온도에 따른 최대 허용속도(S_max)를 초과하지 않는 상태로 판단되면 DC 링크(Vdc)에 과충전의 위험이 없는 상태로 판정하여 모터(140)와 엔진(150)의 토크 및 속도를 제한하지 않고 현재의 조건을 유지한다(S107).

그러나, 상기 S106의 판단에서 제어기(200)는 모터(140)의 속도(S)가 온도에 따른 최대 허용속도(S_max)를 초과하는 상태로 판단되면 DC 링크(Vdc)에 과충전의 위험이 있는 상태로 판정하여 모터(140)와 엔진(150)의 토크 및 속도를 제한한다(S108).

따라서, 모터(140)와 엔진(150)의 토크 및 속도가 제한되어 발전량이 상대적낮아지므로, DC 링크(Vdc)에 과충전이 발생되지 않아 고전압 부품이 소손되는 것이 방지된다(S108).

또한, 초기 운행조건에서 인버터(130)를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도를 빠르게 상승 제어하여 모터(140)와 엔진(150)의 토크 및 속도 제한에 안정성 및 신뢰성이 제공될 수 있도록 한다(S109).

상기 인버터(130)를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도 상승 제어는 회생 에너지의 증대를 위해 엔진(150)의 운전점을 변경하고, 인버터(130)를 구성하는 전력 스위치 소자에 흐르는 전류량을 증가시켜 빠른 시간에 온도의 상승이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 인버터(130)를 구성하는 전력 스위치 소자는 스위칭 동작에서 전력 손실이 발생하는 원리를 이용하여 전력 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증대시켜 빠른 시간에 온도의 상승이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 모터(140)의 구동이 필요하지 않는 경우 인버터(130)를 구성하는 전력 스위치 소자의 하측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 상측 아암을 모두 온으로 하거나 상측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 하측 아암을 모두 온으로 하여 제로 벡터(Zero Vector)를 인가함으로써, 빠른 시간에 온도의 상승이 이루어질 수 있도록 한다.

즉, 모터(140)를 구동시키기 위한 스위칭 동작이 실행되지 않는 상태에서 전력 스위치 소자를 스위칭시켜 빠른 시간에 온도 상승을 제공한다.

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.

110 : 배터리 120 : 메인 릴레이
130 : 인버터 140 : 모터
150 : 엔진 200 : 제어기

Claims (7)

1. 엔진과 모터를 구동원으로 갖는 친환경 자동차에 있어서,
   다수개의 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 배터리의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 모터에 구동전압으로 공급하고, 모터의 회생 제동으로 발전되는 전압을 배터리에 공급하는 인버터;
   인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도와 모터의 온도를 검출하여 전력 스위치 소자의 온도와 모터의 온도에 따라 모터와 엔진의 속도를 제한하여 DC 링크의 충전전압을 안정되게 유지시키며, 상기 전력 스위치 소자의 빠른 온도 상승을 위해 모터의 구동 제어가 수행되지 않는 조건에서 전력 스위치 소자의 하측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 상측 아암을 모두 온으로 하거나 상측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 하측 아암을 모두 온으로 하여 제로 벡터를 인가시키는 제어기;
   를 포함하는 인버터 보호장치.
2. 삭제
3. 인버터를 구성하는 전력 스위치 소자의 온도를 측정하여 DC 링크의 최대 허용전압을 계산하는 과정;
   모터의 온도를 측정하여 최대 허용속도를 계산하는 과정;
   모터의 속도를 측정하여 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하는지 판단하는 과정;
   모터의 속도가 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하면 DC 링크의 과충전 위험으로 판단하여 모터와 엔진의 속도를 제한하여 발전량을 감소시키는 과정;
   을 포함하며,
   상기 전력 스위치 소자의 빠른 온도 상승을 위해 모터의 구동 제어가 수행되지 않는 조건에서 전력 스위치 소자의 하측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 상측 아암을 모두 온으로 하거나 상측 아암을 모두 오프로 유지한 상태에서 하측 아암을 모두 온으로 하여 제로 벡터를 인가시키는 것을 특징으로 하는 인버터 보호방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 모터의 속도가 온도에 따른 최대 허용속도를 초과하지 않으면 DC 링크의 충전이 안정된 상태로 판정하여 모터와 엔진의 속도를 현재의 운전모드로 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 보호방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 전력 스위치 소자의 빠른 온도 상승을 위해 엔진 운전점을 변경하고, 전력 스위치 소자에 흐르는 전류량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 인버터 보호방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 전력 스위치 소자의 빠른 온도 상승을 위해 전력 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증대시키는 것을 특징으로 하는 인버터 보호방법.
7. 삭제

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