KR101628401B1 - 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법 - Google Patents

하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법에 관한 것으로서, 3상 전류 검출을 통한 인버터의 고장을 하드웨어 및 소프트웨어를 이용한 통합된 방식으로 검출하여 고장 검출의 신뢰성을 향상시키고(오검출 방지), 과전류 및 단락 등으로 인한 부품의 소손을 효과적으로 방지하며, 궁극적으로 구동모터의 제어 안정성과 차량 안정성을 증대시킬 수 있는 인버터 고장 검출 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 전류센서를 통해 인버터에서 구동모터로 인가되는 전류를 센싱하는 과정; 상기 전류센서의 전류 검출값을 고장검출회로의 비교기가 기준값과 비교하여 고장을 검출하는 하드웨어 고장 검출 과정; CPU에서 상기 전류센서의 전류 검출값과, 소프트웨어상에 설정된 기준값을 이용하여 고장을 검출하는 소프트웨어 고장 검출 과정; 및 상기 하드웨어 고장 검출 과정과 소프트웨어 고장 검출 과정을 동시에 진행하여 CPU가 두 고장 검출 과정 중 어느 한 과정에서 고장이 검출되면 인버터의 고장 상태로 최종 확정하는 과정;을 포함한다.

Description

하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법{Method for detecting inverter fail for electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터에서 구동모터로 인가되는 3상 전류를 검출하여 인버터 시스템의 고장을 검출하는 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 연비 성능을 개선하여 고효율의 차량을 구현하는 동시에 배기가스를 줄여 친환경 차량을 실현할 수 있는 차량으로서, 엔진 및 구동모터의 동력을 적절히 분배하여 차량의 주행이 이루어진다.
이러한 하이브리드 차량은 대개 차량 주행을 위한 구동원으로 엔진과 구동모터가 직결되어 있고, 동력 전달을 위한 클러치 및 변속기, 그리고 구동모터의 구동을 위한 인버터, 고전압 배터리 등을 포함한다.
또한 이들의 제어수단으로 캔 통신에 의해 통신 가능하게 연결되는 하이브리드 제어기(HCU:Hybrid Control Unit)와 모터 제어기(MCU:Motor Control Unit)(또는 인버터 제어기라 칭함) 등을 포함하고 있다.
이 중 인버터는 구동모터를 구동하기 위해 직류전원을 3상의 교류전원으로 변환하여 구동모터에 공급해주는 전력변환장치로서, 3상 펄스폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 방식의 인버터가 주로 이용되고 있다.
또한 고전압 배터리는 하이브리드 차량 및 전기자동차에서 사용되는 동력원으로, 구동모터의 구동에 필요한 전력을 공급하면서 회생제동시에는 구동모터에 의해 생성된 전력을 공급받아 충전된다. 이러한 고전압 배터리가 공급하는 전원을 인버터가 상 변환시켜 구동모터를 구동시키게 되는 것이다.
도 1은 하이브리드 차량에서 고전압 배터리, 인버터, 구동모터의 연결 관계를 나타낸 개략도로서, 2개의 구동모터(Motor Generator)(MG1,MG2)를 채용한 예를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 인버터(20)는 고전압 배터리(10)의 전압을 직류-직류 변환하는 DC/DC 컨버터(HDC:High Voltage DC/DC Converter)(21), 커패시터 모듈(22), 구동모터(MG1,MG2)의 구동을 위해 직류를 3상 교류로 변환하는 스위칭소자(IGBT)(S) 및 다이오드(FWD:Free Wheeling Diode)(D)로 이루어진 파워모듈(24), 컨버터(21) 및 파워모듈(24)의 제어를 위한 제어기(30), 그리고 제어에 필요한 U상, V상, W상 전류를 측정하기 위한 전류센서(25) 등을 포함한다.
상기 제어기(인버터 제어기)(30) 내에서는 전류센서(25)에 의해 검출되는 전류 검출값을 기초로 하여 PWM 신호를 발생시켜 게이트 구동회로(도시하지 않음)에 인가하고, 이에 게이트 구동회로는 스위칭소자(S)의 턴온/턴오프 구동을 위한 게이트 구동신호를 출력하게 된다.
상기와 같이 이루어진 고전압 배터리(10), 인버터(20), 구동모터(MG1,MG2)의 구성에 있어서 구동모터로 인가되는 3상(U상,V상,W상) 전류의 검출은 구동모터의 제어에 있어서 매우 중요한 인자이다.
또한 구동모터(MG1,MG2)의 구동 중 3상 전류가 일정 레벨 이상으로 증가하면 전류 제어의 불안정과 3상 케이블의 단락이 발생할 수 있다. 이에 3상 전류를 검출하여 일정 레벨 이상일 경우 인버터(20)의 구동 및 모터 제어를 즉시 중지함으로써, 과전류, 단락 등의 문제 발생을 막고, 인버터(20) 및 구동모터(MG1,MG2)를 보호해야 한다.
예컨대, 고전압을 제어하는 인버터(20)의 파워모듈(24) 및 기타 파워부품에 대한 소손 방지 및 보호를 위해 게이트 구동회로로 인가되는 PWM를 차단하는 과정, 즉 PWM 신호의 오프(PWM OFF) 과정이 수행된다.
이와 같이 구동모터의 3상 전류 검출과 고장 검출은 모터 제어는 물론이고 부품의 보호 측면에서 매우 중요한 요소이며, 고장 검출 결과가 부정확하면 실제 인버터의 고장 상태가 아님에도 불구하고 인버터 고장시 수반되는 제어 과정이 수행되고, 실제 고장임에도 이를 검출하지 못하여 부품이 소손되는 등의 문제가 있게 된다.
이에 3상 전류 검출을 통해 단순히 과전류 등의 발생 여부를 판단하는 종래의 고장 검출 방법을 개선할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 차량 구동원으로 전기모터를 사용하는 하이브리드 자동차 및 전기자동차에서 인버터에 대한 고장 검출의 신뢰성을 향상시키고, 정확한 고장 검출을 통해 과전류 및 단락 등으로 인한 부품의 소손을 미연에 방지하며, 궁극적으로 구동모터의 제어 안정성과 차량 안정성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전류센서를 통해 인버터에서 구동모터로 인가되는 전류를 센싱하는 과정; 상기 전류센서의 전류 검출값을 고장검출회로의 비교기가 기준값과 비교하여 고장을 검출하는 하드웨어 고장 검출 과정; CPU에서 상기 전류센서의 전류 검출값과, 소프트웨어상에 설정된 기준값을 이용하여 고장을 검출하는 소프트웨어 고장 검출 과정; 및 상기 하드웨어 고장 검출 과정과 소프트웨어 고장 검출 과정을 동시에 진행하여 CPU가 두 고장 검출 과정 중 어느 한 과정에서 고장을 검출하면 인버터의 고장 상태로 최종 확정하는 과정;을 포함하는 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법을 제공한다.
바람직하게는 상기 하드웨어 과전류 검출 과정과 소프트웨어 검출 과정에서 상기 기준값으로서 각각 별도의 과전류 검출 기준값을 사용하여 과전류 발생을 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 비교기는 전류 검출값을 설정된 하드웨어 과전류 검출 기준값과 비교하여 전류 검출값이 과전류 검출 기준값을 초과하는 경우 과전류가 발생한 고장 검출 상태를 나타내는 폴트 신호를 CPU에 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 소프트웨어 고장 검출 과정은, 전류 검출값을 소프트웨어상에 설정된 소프트웨어 과전류 검출 기준값과 비교하는 단계; 상기 전류 검출값이 과전류 검출 기준값을 초과하는 과전류 발생 유지시간이 소프트웨어상에 설정된 기준시간을 초과하는지를 판단하는 단계; 상기 기준시간을 초과하는 과전류 발생횟수를 카운트하여 과전류 발생횟수가 소프트웨어상에 설정된 기준횟수를 초과하는지를 판단하는 단계; 및 상기 기준횟수를 초과하면 과전류가 발생한 고장 검출 상태로 판정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 소프트웨어 고장 검출 과정에서 CPU는 전류센서에서 출력되는 검출 신호가 저항과 커패시터를 포함하는 로우패스필터를 통과하여 얻어지는 전류 검출값을 입력받아 사용하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법에 의하면, 3상 전류 검출을 통한 인버터의 고장을 하드웨어 및 소프트웨어를 이용한 통합된 방식으로 검출함으로써, 고장 검출의 신뢰성을 향상시키고, 정확한 고장 검출을 통해 과전류 및 단락 등으로 인한 부품의 소손을 미연에 방지하며, 궁극적으로 구동모터의 제어 안정성과 차량 안정성을 증대시키는데 기여할 수 있게 된다.
도 1은 하이브리드 차량의 인버터 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 구동모터에 인가되는 전류를 검출하여 제어기에 전달하는 회로 구성을 예시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고장 검출 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법에 관한 것으로서, 3상 전류 검출을 통한 인버터의 고장을 하드웨어 및 소프트웨어를 이용한 통합된 방식으로 검출하여 고장 검출의 신뢰성을 향상시키고(오검출 방지), 과전류 및 단락 등으로 인한 부품의 소손을 효과적으로 방지하며, 궁극적으로 구동모터의 제어 안정성과 차량 안정성을 증대시킬 수 있는 인버터 고장 검출 방법에 관한 것이다.
첨부한 도면은 하이브리드 자동차의 구성을 예시한 것이나, 본 발명은 차량 구동원으로 전기모터(구동모터)를 사용하는 하이브리드 자동차와 연료전지 자동차, 순수 전기자동차 등의 친환경 자동차에 널리 적용될 수 있다.
도 1과 같은 인버터 시스템에서는 제어기(30) 내에서 PWM 신호에 따라 게이트 구동신호를 출력하고, 이 게이트 구동신호에 의해 파워모듈(24) 내 스위칭소자(IGBT)(S)가 스위칭 제어되면서 구동모터(MG1,MG2)에 U상, V상, W상의 3상 전류가 인가된다.
이러한 3상의 전류가 구동모터(MG1,MG2)에 인가되는 동안 각 상(U상,V상,W상)의 전류를 검출하기 위해서는 3개의 전류센서가 필요하다. 하지만, 3상 전류의 합은 0이므로 실제 2상의 전류를 검출하면 나머지 1상을 추정할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 고장 검출 방법을 위해 구성되는 회로 구성을 예시한 개략도로서, 각 구동모터(MG1,MG2)에 인가되는 2상(U상,V상)의 전류를 전류센서(25)가 검출하여 제어기(30)에서 하드웨어 및 소프트웨어적으로 고장 검출이 이루어지도록 전달하는 회로 구성을 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 두 구동모터(MG1,MG2)에 대하여 인버터에서 구동모터로 인가되는 U상 및 V상의 전류를 검출하기 위한 2개의 전류센서(25)가 이용될 수 있으며, 제어기(30)는 전류 검출값을 이용하여 하드웨어적으로 고장을 검출하는 비교기(31)를 포함한 고장검출회로, 로우 패스 필터(32), 고장 상태를 판정하여 상위 제어기에 전달하는 CPU(33)를 포함하여 구성된다.
전류 검출은 매우 빠른 응답성을 가져야 하므로 각 전류센서의 검출 신호가 저항(R)과 커패시터(C)를 이용한 1차 로우 패스 필터(32)를 통해 CPU(33)에 인가되도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 고장 검출 방법을 나타내는 순서도로서, 좌측의 도면은 하드웨어적인 고장검출회로의 비교기(31)를 이용하여 U상, V상의 전류센서(25)에 의해 검출된 전류 검출값(Iu,Iv)으로부터 고장을 검출하는 하드웨어 고장 검출 로직을 나타낸다(도 2의 회로 구성 참조).
또한 우측의 도면은 U상, V상의 전류센서(25)에 의해 검출된 전류 검출값(Iu,Iv)으로부터 소프트웨어적으로 고장을 검출하는 소프트웨어 고장 검출 로직을 나타내며, 제어기(30)는 이러한 소프트웨어 고장 검출 로직을 수행하기 위한 소프트웨어를 포함하는 것이 된다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 인버터 고장 검출 방법에서는 전류센서(25)에 의해 검출된 전류 검출값을 기준값과 비교하여 고장을 검출하는 하드웨어적인 방법과 소프트웨어적인 방법을 동시에 이용하여 보다 정확한 고장 검출이 이루어지도록 한다.
즉, 전류센서(25)를 통해 인버터(도 1에서 도면부호 20임)에서 구동모터(도 1에서 도면부호 MG1, MG2임)로 인가되는 전류를 센싱하는 과정, 상기 전류센서(25)의 전류 검출값을 고장검출회로의 비교기(31)가 기준값과 비교하여 고장을 검출하는 하드웨어 고장 검출 과정, CPU(33)에서 상기 전류센서(25)의 전류 검출값과, 소프트웨어상에 설정된 기준값을 이용하여 고장을 검출하는 소프트웨어 고장 검출 과정, 그리고 상기 하드웨어 고장 검출 과정과 소프트웨어 고장 검출 과정을 동시에 진행하여 CPU(33)가 두 고장 검출 과정 중 어느 한 과정에서 고장을 검출하면 인버터의 고장 상태로 최종 확정하는 과정으로 고장 검출이 이루어지는 것이다.
이를 위해 전류 검출값(Iu,Iv)으로부터 과전류 판별을 수행하기 위한 기준이 되는 전류 기준값으로서 하드웨어 및 소프트웨어 부분에 각각 별도의 기준값(IREF _ HW,IREF _ SW)이 미리 설정되어 이용된다.
또한 하드웨어를 이용한 고장 검출 과정과 소프트웨어를 이용한 고장 검출 과정 중 어느 한 과정에서라도 고장이 검출되면 CPU(33)는 과전류 고장 코드를 발생시켜 상위 제어기인 HCU(도 1에서 도면부호 40임)에 전달함으로써 인버터(20)의 구동을 중지시키게 된다.
먼저, 도 3과 도 4에서 사용된 부호에 대해 아래와 같이 정의하기로 한다.
- Iu : 전류센서에 의해 검출되는 U상 전류 검출값
- Iv : 전류센서에 의해 검출되는 V상 전류 검출값
- IREF _ HW : 하드웨어 고장 검출 과정에서 이용되는 과전류 검출 기준값(하드웨어적으로 고장검출회로에서 설정되는 기준값)
- IREF _ SW : 소프트웨어 고장 검출 과정에서 이용되는 과전류 검출 기준값(소프트웨어상에 설정된 기준값)
- T_Over Current : 기준시간
- C_Over Current : 기준횟수
도 3을 참조하여 하드웨어를 이용한 고장 검출 과정에 대해 보다 상세히 설명하면, 고장검출회로에서 과전류 레벨, 즉 하드웨어 과전류 검출 기준값(IREF _ HW)이 설정된 상태에서, 구동모터(MG1,MG2)의 구동 중 전류센서(25)로 U상 전류 및 V상 전류(Iu,Iv)를 각각 검출하게 된다(S1).
이때, 고장검출회로에서는 비교기(31)가 각 전류센서(25)에 의해 검출된 U상 전류(Iu) 및 V상 전류(Iv)를 하드웨어 과전류 검출 기준값(IREF_HW)과 비교하여 출력신호를 CPU(33)로 출력하게 되는데(S11), 전류 검출값이 기준값보다 높을 경우 비교기를 통해 폴트(Fault) 신호가 발생되고(S12), 폴트 신호가 CPU(33)로 인가되면 CPU는 즉시 PWM 신호가 게이트 구동회로로 출력되는 것을 차단하는 PWM 신호 오프(PWM OFF)를 실행하여 인버터의 고전압 부품의 소손을 막는다(S13).
이와 더불어 제어기(30)의 CPU(33)는 과전류 고장 코드를 발생시켜(S15) HCU에 고장 정보를 전달하게 되고, 이를 통해 인버터의 구동이 중지되도록 한다(S16).
한편, 도 4를 참조하여 소프트웨어를 이용한 고장 검출 과정에 대해 보다 상세히 설명하면, 제어기(30) 내 소프트웨어에 과전류 레벨, 즉 소프트웨어 과전류 검출 기준값(IREF_SW)이 설정된 상태에서, 구동모터(MG1,MG2)의 구동 중 전류센서(25)로 U상 전류(Iu) 및 V상 전류(Iv)를 각각 검출하게 된다(S1).
이에 전류센서(25)로부터 출력되는 U상 및 V상의 전류 검출값(Iu,Iv)이 제어기 내 CPU(33)로 입력되고, CPU(33)에서는 전류 검출값(Iu,Iv)을 소프트웨어 과전류 검출 기준값(IREF_SW)과 비교하여(S21) 전류 검출값이 기준값보다 높을 경우 다음의 동작을 수행한다.
즉, 과전류 발생이 노이즈 성분으로 발생할 수도 있기 때문에 기준값 이상의 과전류 발생이 유지되는 시간과 과전류 발생횟수를 카운트하게 되는데, 과전류 발생 유지시간이 미리 설정된 기준시간(T_Over Current)(예, 10㎲)을 초과하면서 이러한 과전류 발생이 미리 설정된 기준횟수(C_Over Current)(예, 3회)를 초과하여 연속 발생하면 과전류 발생으로 최종 판정한다(S22,S23).
이와 같이 과전류 발생을 최종 판정하게 되면, PWM 신호를 즉시 오프(PWM OFF)함으로써 인버터의 고전압 부품의 소손을 막고(S24), 과전류 고장 코드를 발생시켜(S25) HCU에 고장 정보를 전달함으로써 인버터의 구동이 중지되도록 한다(S26).
이와 같이 하여, 본 발명에서는 하드웨어 및 소프트웨어를 이용한 통합 검출 방식을 적용함으로써 인버터 고장 검출의 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 고전압 배터리 20 : 인버터
24 : 파워모듈 25 : 전류센서
30 : 제어기 31 : 비교기
32 : 로우 패스 필터 33 : CPU
40 : HCU

Claims (5)

  1. 전류센서를 통해 인버터에서 구동모터로 인가되는 전류를 센싱하는 과정;
    상기 전류센서의 전류 검출값을 고장검출회로의 비교기가 기준값과 비교하여 고장을 검출하는 하드웨어 고장 검출 과정;
    CPU에서 상기 전류센서의 전류 검출값과 소프트웨어상에 설정된 기준값을 이용하여 고장을 검출하는 소프트웨어 고장 검출 과정; 및
    상기 하드웨어 고장 검출 과정과 소프트웨어 고장 검출 과정을 동시에 진행하여 CPU가 두 고장 검출 과정 중 어느 한 과정에서 고장을 검출하면 인버터의 고장 상태로 최종 확정하는 과정을 포함하고,
    상기 소프트웨어 고장 검출 과정은,
    상기 전류 검출값을 소프트웨어상에 설정된 소프트웨어 과전류 검출 기준값과 비교하여 상기 전류 검출값이 소프트웨어 과전류 검출 기준값을 초과하는 과전류 발생의 유지시간이 소프트웨어상에 설정된 기준시간을 초과하는지를 판단하고,
    상기 기준시간을 초과하는 과전류 발생의 횟수를 카운트하여 과전류 발생횟수가 소프트웨어상에 설정된 기준횟수를 초과하면 과전류가 발생한 고장 검출 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하드웨어 고장 검출 과정과 소프트웨어 고장 검출 과정에서 상기 기준값으로서 각각 별도의 과전류 검출 기준값을 사용하여 과전류 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 비교기는 전류 검출값을 설정된 하드웨어 과전류 검출 기준값과 비교하여 전류 검출값이 과전류 검출 기준값을 초과하는 경우 과전류가 발생한 고장 검출 상태를 나타내는 폴트 신호를 CPU에 인가하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 소프트웨어 고장 검출 과정에서 CPU는 전류센서에서 출력되는 검출 신호가 저항과 커패시터를 포함하는 로우패스필터를 통과하여 얻어지는 전류 검출값을 입력받아 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 인버터 고장 검출 방법.




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