KR101776341B1

KR101776341B1 - 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법

Info

Publication number: KR101776341B1
Application number: KR1020120049996A
Authority: KR
Inventors: 권범주
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2017-09-07
Also published as: KR20130126146A

Abstract

본 발명은 친환경자동차의 릴레이 고장진단 방법에 관한 것으로서, 전기자동차나 하이브리드 자동차와 같은 친환경자동차에서 메인릴레이의 융착 여부를 체크하는데 소요되는 시간을 보다 단축할 수 있는 릴레이 고장진단 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 배터리와 모터 제어기의 DC 링크단을 연결하고 있는 회로 상에 설치되어 배터리의 전원을 개폐하는 메인릴레이의 고장진단 방법에 있어서, 프리차지 릴레이를 온 시키는 과정; 프리차지 릴레이의 온 제어 후 모터 제어기의 DC 링크단 전압을 설정된 기준전압과 비교하는 과정; 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제2메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정; 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 미만이면 제2메인릴레이가 정상 상태인 것으로 판정하고 제2메인릴레이를 온 시키는 과정; 및 제2메인릴레이의 온 제어 후 DC 링크단 전압을 기준전압과 비교함으로써 제1메인릴레이의 융착 여부를 판정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법을 제공한다.

Description

친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법{Fault diagnosis method for main relay of vehicle}

본 발명은 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기자동차나 하이브리드 자동차와 같은 친환경자동차에서 메인릴레이의 융착과 같은 고장상태를 단시간 내에 체크할 수 있는 릴레이 고장진단 방법에 관한 것이다.

오늘날 고유가와 이산화탄소 규제 등으로 인해 기존의 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 친환경자동차의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 최근 전기모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차나 내연기관과 전기모터를 구동원으로 함께 사용하는 하이브리드 자동차가 자동차 제조사에 따라 이미 상용화되어 출시되고 있거나 상용화를 앞두고 있는 상황이다.

이러한 전기자동차나 하이브리드 자동차는 구동원이 되는 전기모터(Traction Motor)에 전력을 공급하기 위한 주 동력원으로 고전압 배터리를 탑재하고 있으며, 더불어 배터리 충전을 위한 충전장치, 전기모터(이하, '구동모터'라 칭함)를 구동시키기 위한 인버터 등을 구비하고 있다.

상기 인버터는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)에서 인가되는 제어신호에 따라 고전압 배터리에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터를 구동시키게 된다.

또한 자동차에는 배터리의 상태를 감시하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS)가 탑재되는데, 이 배터리 제어기는 배터리의 온도, 전압, 충/방전 전류, 배터리 SOC(State Of Charge) 등에 관한 배터리 상태 정보를 수집하고, 수집되는 배터리 상태 정보를 차량 제어에 이용될 수 있도록 차량 내 타 제어기에 제공한다.

특히, 배터리 제어기는 배터리 상태를 확인하여 배터리 상태가 일정한 수준 이상을 유지할 수 있도록 관리하며, 배터리 내구성 저하에 따른 수명 단축을 방지하는 한편, 총합제어를 수행하는 차량 제어기에 배터리 SOC 정보를 알려줌으로써 배터리 상태를 고려한 차량 주행이 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 도 1은 통상의 전기자동차나 하이브리드 자동차에 적용되고 있는 고전압 회로부의 구성을 나타내는 도면으로서, 고전압 배터리(10), 인버터(31)를 포함한 모터 제어기(MCU)(30), 구동모터(40), 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)(20) 등의 부품을 포함하는 고전압 회로부(각 부품 및 고전압 와이어)의 구성 및 연결상태를 개략적으로 예시한 도면이다.

도시된 바의 고전압 회로부는, 차량의 주 동력원이 되는 고전압 배터리(10), 이 고전압 배터리(10)의 전력을 공급받아 구동되는 구동모터(40), 구동모터(40)를 구동시키기 위한 인버터(31)를 포함하는 모터 제어기(MCU)(30), 배터리 전원이 차량에 선택적으로 공급되도록 스위칭하는 파워 릴레이 어셈블리(20)를 포함한다.

여기서, 모터 제어기(30)는 인버터(31) 내 스위칭 소자들의 구동을 제어하여 DC 전압을 인버터를 통해 3상 전원으로 변환해줌으로써 구동모터(40) 측에 각 상 전류가 인가될 수 있도록 한다.

상기 모터 제어기(30)는 DC 링크단에 설치되어 배터리(10)로부터 공급되는 전압에 의해 충전되는 커패시터(C)를 포함한다.

또한 파워 릴레이 어셈블리(20)는 배터리(10)와 모터 제어기(30)의 DC 링크단을 연결하고 있는 고전압 회로 상에 배터리 전원을 선택적으로 개폐하도록 설치되는 것으로, 배터리(10)와 인버터(31) 사이의 회로를 선택 개폐하기 위한 복수개의 릴레이(21,22,23)들로 구성된다.

상기 파워 릴레이 어셈블리(20)는 주 전원접점인 두 개의 메인릴레이(Main Relay(+),(-))(21,22)와, 상기 두 메인릴레이(21,22) 중 1개를 우회하는 회로 상에 설치되는 프리차지 릴레이(Precharge Relay)(23) 및 프리차지 저항(Precharge Resistor)(24)를 포함한다.

즉, 도 1에 예시된 바와 같이, 배터리(10)의 (+)단과 DC 링크 (+) 단 사이의 회로 상에 제1메인릴레이(Main Relay(+))(21)가 설치되고, 배터리(10)의 (-)단과 DC 링크 (-)단 사이의 회로 상에 제2메인릴레이(Main Relay(-))(22)가 설치되며, 제1메인릴레이(21)를 우회하는 바이패스 회로 상에 프리차지 릴레이(23) 및 프리차지 저항(24)이 설치되는 것이다.

이러한 파워 릴레이 어셈블리(20)의 릴레이들은 통상 배터리 제어기(BMS)(50) 또는 모터 제어기(MCU)(30)에서 출력되는 릴레이 제어신호에 따라 온/오프(On/Off) 제어되도록 되어 있다.

한편, 상기한 각 릴레이는 융착의 문제점을 가지고 있는바, 이들 릴레이의 융착을 체크하기 위한 알고리즘이 적용되고 있으며, 릴레이에 융착이 발생한 경우 IG 오프(IG Off)(예, 주차상태)에서도 외부로 고전압이 지속적으로 노출되어 감전 등의 위험한 상황이 발생할 수 있다.

이에 대해 좀더 상세히 설명하면, 먼저 릴레이의 접점은 고정접점(Fixed Contact)과 구동접점(Moving Contact)으로 구성되는데, 고정접점과 구동접점 사이에 발생하는 아크에 의해 두 접점이 서로 붙어 릴레이의 온/오프 제어가 안 되는 상태를 융착(Welding)이라 한다.

만약, 2개의 메인릴레이(21,22)가 적용된 차량에서, 두 메인릴레이 중 어느 하나라도 접점 간의 융착이 발생한 경우, 예컨대 도 2에 나타낸 바와 같이 제1메인릴레이(21)가 융착된 경우, 두 메인릴레이가 모두 오프 상태이어야 하는 IG 오프 상태에서도, 융착이 발생한 제1메인릴레이(21)의 접점이 떨어지지 않으므로 오프 상태가 되지 않는다.

이와 같이 릴레이 제어가 불가해지면 고전압 고유의 기능/목적을 달성할 수 없고, 충돌 등의 사고시 절연 확보 불가로 인해 1차 사고뿐만 아니라 뒤이은 감전, 화재 등의 2차 사고 발생이 불가피하다.

예컨대, IG 오프 상태에서 접점 융착으로 인해 릴레이(21,22)들의 오프 제어가 불가하면, 고전압 DC 성분이 외부로 노출되므로 감전 등의 위험 상황이 발생할 수 있는데, 이렇게 고전압 배터리(10)의 전원이 외부에 노출되면 고전압 배터리와 인체를 경유하는 전기 폐루프가 형성되어 전류 통전이 이루어지는바, 인체가 여러 가지 유형의 감전 위험에 노출된다.

즉, 인체가 고전압 (+),(-) 단자에 동시에 접촉하는 직접 접촉 상태의 감전 위험, 또는 인체가 차체-배선 간의 절연 파괴 조건에서 어느 한 단자에 접촉하거나 절연 파괴된 고전압 부품과 단자에 동시 접촉하는 직접/간접 접촉 상태의 감전 위험, 또는 인체가 차체-배선 간 절연 파괴 조건에서 절연 파괴된 고전압 부품을 접촉하거나 2개의 절연 파괴된 고전압 부품을 동시에 접촉하는 간접 접촉 상태의 감전 위험에 빠질 수 있다.

따라서, 상기의 감전 위험에 노출되는 것을 방지하기 위해서는 IG 온(IG On) 시에 프리차지 릴레이(23)와 메인릴레이(21,22)들을 순차적으로 온 시키는 릴레이 온 시퀀스(On Sequence), 그리고 IG 오프 시에 메인릴레이(21,22)들을 순차적으로 오프 시키는 릴레이 오프 시퀀스(Off Sequence)에서 메인릴레이들의 융착 여부를 체크하는 것이 필요하다.

도 3은 온, 오프 시퀀스에서 메인릴레이들의 융착 여부를 체크하는 종래의 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 제어기(50)(예컨대, 배터리 제어기)가 IG 온 입력을 검출하여 시동 온을 위한(릴레이 온 시퀀스의) 릴레이 제어신호를 출력하게 되는데, 이러한 릴레이 온 시퀀스에서 커패시터(C)의 프리차지를 위해 제2메인릴레이(22) 및 프리차지 릴레이(23)의 접점이 스위칭 온 된다.

이때, 제2메인릴레이(22)를 먼저 온 시키고, 이어 프리차지 릴레이(23)를 온 시키는데, 제2메인릴레이(22)를 온 시키는 시점부터 프리차지 릴레이(23)를 온 시키는 시점까지의 경과 시간을 도 3에서와 같이 't1'이라 정의한다.

이와 같이 제2메인릴레이(22)와 프리차지 릴레이(23)를 모두 온 시켜야만 배터리 전원의 공급 경로가 형성되므로 고전압 배터리(10)로부터 인가되는 전류에 의해 DC 링크단의 커패시터(C)가 충전되고, 결국 DC 링크단의 전압인 인버터 전압(전압센서(32)에 의해 검출됨)이 상승하게 된다.

따라서, 제2메인릴레이(22)를 온 시킨 후 프리차지 릴레이(23)를 온 시키기 전의 t1 시간 동안, 특히 제2메인릴레이(22)의 접점이 붙는 순간 프리차지 릴레이(23)가 온 되기 전임에도 불구하고 인버터 전압이 비정상적으로 상승하는 경우 제1메인릴레이(21)는 융착 상태인 것으로 판정하게 된다.

제1메인릴레이(21)가 융착된 상태에서는 프리차지 릴레이(23)를 온 시키기 전에 제2메인릴레이(22)의 온 상태만으로 인버터 전압이 상승할 수 있는 조건, 즉 배터리 전원의 공급 경로가 형성되므로, 제1메인릴레이(21)의 융착 상태를 인버터 전압으로부터 판정할 수 있는 것이다.

이어 커패시터(C)가 설정된 일정 레벨로 충전이 이루어지면 제1메인릴레이(21)의 접점을 스위칭 온 시키고, 프리차지 릴레이(23)의 접점을 스위칭 오프로 전환시키게 된다.

여기서, 프리차지 릴레이(23)가 온 되고 난 뒤 제1메인릴레이(21)가 온 되는 시점까지의 경과 시간을 도 3에서와 같이 't2'라 정의하고, 제1메인릴레이(21)의 온 시점부터 프리차지 릴레이(23)의 오프 시점까지의 경과 시간을 't3'로 정의한다.

한편, 제어기(50)가 IG 오프 신호를 검출하여 시동 오프를 위한(릴레이 오프 시퀀스의) 릴레이 제어신호를 출력하게 되는데, 이러한 오프 시퀀스에서 제2메인릴레이(22)의 접점을 먼저 오프 상태로 전환시키고, 이어 인버터 전압이 하강한 후 제1메인릴레이(21)의 접점을 오프 상태로 전환시킨다.

이때, 제2메인릴레이(22)의 오프 시점부터 제1메인릴레이(21)의 오프 시점까지의 경과 시간을 도 3에서와 같이 't4'로 정의하며, 제2메인릴레이(22)가 오프되고 나면 t4 시간 동안 인버터 전압이 하강하여야 하나, 제1메인릴레이(21)가 아직 온 상태에서 제2메인릴레이(22)가 오프됨에 불구하고 인버터 전압이 하강하지 않으면 제2메인릴레이(22)의 접점이 비정상적으로 붙어 있는 상태, 즉 제2메인릴레이가 융착 상태인 것으로 판정하게 된다.

이렇게 제2메인릴레이(22)를 오프 시킨 후 제1메인릴레이(21)를 오프 시키기 전의 t4 시간 동안, 특히 제2메인릴레이(22)의 접점을 분리하여 오프 시키는 순간, 인버터 전압의 정상적인 하강 여부(DC 링크단의 커패시터 전압 방전 여부)를 모니터링하여 제2메인릴레이의 융착 여부를 체크하는데, 만약 t4 시간 동안(제1메인릴레이는 온 상태) 인버터 전압이 정상적으로 하강하지 않으면 제2메인릴레이의 접점이 떨어지지 않은 것으로 판단하여 제2메인릴레이가 융착 상태인 것으로 판정하는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 릴레이 융착 확인 방법에 의하면, t1 시간 동안의 제1메인릴레이 융착 여부 체크 과정, t4 시간 동안의 제2메인릴레이 융착 여부 체크 과정을 별도로 거쳐야 하고, 특히 제2메인릴레이의 융착 여부 체크를 위해 오프 시퀀스에서 제2메인릴레이를 우선적으로 오프 시킨 뒤 제1메인릴레이를 오프 시켜야 하는바, 오프 시퀀스의 시간 t4를 필히 소요해야 하는 불리함이 있게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창출한 것으로서, 전기자동차나 하이브리드 자동차와 같은 친환경자동차에서 메인릴레이의 융착 여부를 체크하는데 소요되는 시간을 보다 단축할 수 있는 릴레이 고장진단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 배터리와 모터 제어기의 DC 링크단을 연결하고 있는 회로 상에 설치되어 배터리의 전원을 개폐하는 메인릴레이의 고장진단 방법에 있어서, 프리차지 릴레이를 온 시키는 과정; 프리차지 릴레이의 온 제어 후 모터 제어기의 DC 링크단 전압을 설정된 기준전압과 비교하는 과정; 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제2메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정; 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 미만이면 제2메인릴레이가 정상 상태인 것으로 판정하고 제2메인릴레이를 온 시키는 과정; 및 제2메인릴레이의 온 제어 후 DC 링크단 전압을 기준전압과 비교함으로써 제1메인릴레이의 융착 여부를 판정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 프리차지 릴레이의 온 이전에 모터 제어기의 DC 링크단 전압을 기준전압과 비교하고 이때 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제1메인릴레이와 제2메인릴레이가 동시에 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 프리차지 릴레이의 온 이전에 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면서 DC 링크단 전압이 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값 사이의 고전압상태인 경우 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 동시 융착 상태로 판정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 프리차지 릴레이의 온 제어 후 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면서 DC 링크단 전압이 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값 사이의 고전압상태인 경우 제2메인릴레이의 융착 상태로 판정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1메인릴레이의 융착 여부를 판정하는 과정은, 제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제1설정시간이 경과한 뒤 DC 링크단 전압을 설정된 기준전압과 비교하는 과정; 및 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면서 DC 링크단 전압이 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값 사이의 고전압상태인 경우 제1메인릴레이의 융착 상태로 판정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 미만이면 제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제2설정시간(제2설정시간>제1설정시간)이 경과한 뒤 DC 링크단 전압을 설정된 기준전압과 비교하는 과정; 및 상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값은 각각 현재의 배터리 전압에 설정된 상수를 곱하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 릴레이 고장진단 방법에서는 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 융착 체크 과정을 릴레이 온 시퀀스에서 모두 실시하며, 이에 릴레이 오프 시퀀스에서는 별도 릴레이 융착 체크 과정 없이 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 동시에 오프시킬 수 있게 된다.

결국, 본 발명에 따르면, 오프 시퀀스에서 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 순차적인 오프 없이 제1메인릴레이의 융착 체크를 위해 소요되던 종래의 추가적인 시간이 필요 없게 되고, 온 시퀀스에서 두 메인릴레이의 융착 체크를 모두 하게 됨으로써 보다 단시간 내에 메인릴레이들의 고장진단을 모두 완료할 수 있게 된다.

도 1은 통상의 전기자동차나 하이브리드 자동차에 적용되고 있는 고전압 회로부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 통상의 전기자동차나 하이브리드 자동차에서 메인릴레이의 정상적인 오프 동작 및 융착 상태를 예시한 도면이다.
도 3은 온/오프 시퀀스에서 메인릴레이들의 융착 여부를 체크하는 종래의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 릴레이 동작 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 릴레이 고장진단 방법에서 제2메인릴레이의 융착 체크 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제2메인릴레이의 융착시에 전압/전류 상태를 보여주는 도면이다.
도 7과 도 8은 본 발명에 따른 릴레이 고장진단 방법에서 제1메인릴레이의 융착 체크 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제1메인릴레이의 융착시에 전압/전류 상태를 보여주는 도면이다.
도 9와 도 10은 본 발명에 따른 릴레이 고장진단 방법에서 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 동시 융착시에 전압/전류 상태를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 릴레이 고장진단 방법을 예시한 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 전기자동차나 하이브리드 자동차와 같은 친환경자동차에서 메인릴레이의 융착과 같은 고장상태를 단시간 내에 체크할 수 있는 메인릴레이의 고장진단 방법에 관한 것으로서, 종래에 비해 메인릴레이의 융착 여부를 체크하는데 소요되는 시간을 단축할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 릴레이 동작 시퀀스를 나타내는 도면으로서, 온(On) 시퀀스와 오프(Off) 시퀀스의 릴레이 동작상태를 보여주고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에서는 제1메인릴레이(Main Relay(+))와 제2메인릴레이(Main Relay(-))의 융착 체크 과정을 릴레이 온 시퀀스에서 모두 실시하며, 이에 릴레이 오프 시퀀스에서는 별도 릴레이 융착 체크 과정 없이 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 동시에 오프시킬 수 있게 된다.

결국, 본 발명에 따르면, 오프 시퀀스에서 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 순차적인 오프 없이 제1메인릴레이의 융착 체크를 위해 소요되던 종래의 추가적인 시간이 필요 없게 되고(도 3에서 시간 t4 삭제), 온 시퀀스에서 두 메인릴레이의 융착 체크를 모두 하게 됨으로써 보다 단시간 내에 메인릴레이들의 고장진단을 모두 완료할 수 있게 된다.

도 4를 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 제어기가 시동키 온(IG On)) 입력을 검출하여 시동 온을 위한(온 시퀀스의) 릴레이 제어신호를 출력하게 되는데, 본 발명에서는 온 시퀀스에서 릴레이 제어 순서를 변경하여 제1메인릴레이 및 제2메인릴레이의 융착 여부를 모두 체크할 수 있도록 한다.

본 발명에서 상기 제어기는 프리차지 릴레이와 메인릴레이들의 온/오프 제어를 위한 릴레이 제어신호를 출력하는 통상의 배터리 제어기(BMS) 또는 모터 제어기(MCU)가 될 수 있으며, 이 제어기가 시동키 온 입력을 검출하게 되면 DC 링크단 전압인 인버터 전압으로부터 메인릴레이들의 융착 여부를 체크 및 판정하게 된다.

이때, 온 시퀀스의 릴레이 제어 순서는 프리차지 릴레이 온(On) → 제2메인릴레이 온 → 제1메인릴레이 온 → 프리차지 릴레이 오프(Off)의 순이 된다.

먼저, 제어기가 시동키 온 입력을 검출하게 되면, DC 링크단 커패시터의 프리차지를 위해 프리차지 릴레이를 온 시키기 위한 제어신호를 출력하고, 이때 출력되는 제어기의 제어신호에 의해 프리차지 릴레이의 접점이 스위칭 온 된다.

이렇게 프리차지 릴레이가 온 된 상태에서 제2메인릴레이의 융착 체크가 이루어지는데, 제2메인릴레이의 융착 판정이 완료되는 설정된 일정 시간 후에 제어기가 제2메인릴레이를 온 시키기 위한 제어신호를 출력하고, 이때 출력되는 제어기의 제어신호에 의해 제2메인릴레이의 접점이 스위칭 온 된다.

상기와 같이 프리차지 릴레이가 온 된 시점부터 제2메인릴레이가 온 되는 시점까지의 경과 시간을 도 4에서 시간 't11'이라 정의한다.

이러한 t11 시간 동안(프리차지 릴레이만 온 상태임)에 인버터 전압이 비정상적으로 상승한다면, 제2메인릴레이를 통해 전류가 흐르고 있다는 증거이므로, 제2메인릴레이가 융착된 상태임을 확인할 수 있게 된다.

여기서, 인버터 전압은 모터 제어기(MCU)의 DC 링크단에 걸리는 전압으로, 통상의 전기자동차나 하이브리드 자동차에서 제어기가 DC 링크단에 설치된 전압센서(도 3에서 도면부호 32임)를 통해 검출되는 DC 링크단 전압을 입력받아 제어에 사용하고 있음은 잘 알려진 기술적 사항이므로, 본 명세서에서 인버터 전압(= DC 링크단 전압)을 검출하기 위한 센서의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 제2메인릴레이가 온 되고 나면 제1메인릴레이가 온 되기 전에 인버터 전압에 기초하여 제1메인릴레이의 융착 체크가 이루어지는데, 프리차지 릴레이 및 제2메인릴레이가 온 되고 나면 DC 링크단의 커패시터가 충전되고, 인버터 전압이 도 4에 나타낸 바와 같이 서서히 상승하게 된다.

이때, 프리차지 릴레이 및 제2메인릴레이가 온 된 상태에서 제1메인릴레이가 융착되어 있다면 인버터 전압이 서서히 상승하지 않고 비정상적으로 급격하게 상승할 것이므로, 인버터 전압으로부터 제1메인릴레이가 융착된 상태임을 확인할 수 있게 된다.

또한 커패시터가 설정된 일정 레벨로 충전이 이루어지면 제어기는 제어신호를 출력하여 제1메인릴레이의 접점을 스위칭 온 시키고, 이어 프리차지 릴레이의 오프 제어를 위한 제어신호를 출력하여 프리차지 릴레이의 접점을 스위칭 오프로 전환시키게 된다.

여기서, 제2메인릴레이가 온 되고 난 뒤 제1메인릴레이가 온 되는 시점까지의 경과 시간을 도 4에서와 같이 't12'라 정의하고, 제1메인릴레이의 온 시점부터 프리차지 릴레이의 오프 시점까지의 경과 시간을 't13'로 정의한다.

결국, t11 시간 동안에 제2메인릴레이의 융착 여부가 체크되고, t12 시간 동안에 제1메인릴레이의 융착 여부가 체크되는바, 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 융착 체크 과정이 모두 시동키 온 입력으로 인한 릴레이 온 시퀀스에서 이루어지게 된다.

또한 상기와 같이 온 시퀀스에서 두 메인릴레이의 융착 여부가 모두 체크 되므로, 시동키 오프(IG Off)시에 도 4에 나타낸 바와 같이 두 메인릴레이를 동시에 오프시킬 수 있게 된다.

도 5와 도 6은 본 발명에 따른 릴레이 고장진단 방법에서 제2메인릴레이의 융착 체크 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제2메인릴레이(22)의 융착시에 전압/전류 상태를 보여주는 도면이다.

도시된 바와 같이, 프리차지 릴레이(23)가 온 되고 난 뒤, t11 시간 동안에는 제1메인릴레이(21)와 제2메인릴레이(22)가 모두 온 되기 전 상태이고, 이때 제2메인릴레이(22)가 융착되지 않았다면(제2메인릴레이가 정상 상태라면) 도 6과 같은 전류 경로가 형성되지 않을 것이므로, 도 5에 나타낸 바와 같이 인버터 전압이 비정상적으로 상승하지 않을 것이다.

반면, 프리차지 릴레이(23)가 온 된 상태이고 제2메인릴레이(22)가 융착된 상태라면, 프리차지 릴레이(23) 및 프라차지 저항(24), 제2메인릴레이(22)를 통한 전류 경로가 형성되므로, 도 6과 같이 고전압 배터리의 전류가 상기 전류 경로를 통해 흐르게 되면서 인버터 전압이 비정상적으로 상승하게 된다.

이렇게 제2메인릴레이(22)의 온 제어 이전에 프리차지 릴레이(23) 온만으로 인버터 전압이 비정상적으로 상승하였다면, 제2메인릴레이를 통해 전류가 흐르고 있다는 증거이므로, 제2메인릴레이가 융착 상태임을 판정하게 된다.

도 7과 도 8은 본 발명에 따른 릴레이 고장진단 방법에서 제1메인릴레이의 융착 체크 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제1메인릴레이(21)의 융착시에 전압/전류 상태를 보여주는 도면이다.

프리차지 릴레이(23)가 온 되고, 이어 제2메인릴레이(22)가 온 되고 난 뒤, t12 동안에 제1메인릴레이(21)가 융착되지 않은 상태라면, 프리차지 릴레이(23) 및 프리차지 저항(24), 제2메인릴레이(22)를 통해 전류 경로가 형성되고, 이때는 프리차지 저항(24)에 의한 피크 전류 제한이 이루어지므로, 인버터 전압은 도 7의 점선과 같이 서서히 증가할 것이다.

반면, 제1메인릴레이(21)가 융착된 상태에서 제2메인릴레이(22)가 온 되면, 도 8에 나타낸 바와 같이 프리차지 릴레이(23) 및 프리차지 저항(24)으로 전류가 흐르지 않고 융착된 제1메인릴레이(21)와 제2메인릴레이(22)를 통해 고전압 배터리의 전류가 흐르게 되면서 인버터 전압이 서서히 증가하지 않고 급격하게 증가할 것이다.

이렇게 제1메인릴레이(21)의 온 제어 이전에 제2메인릴레이(22)의 스위칭 온으로 인버터 전압이 비정상적으로 급격히 증가하게 되면, 프리차지 릴레이(23) 및 프리차지 저항(24)을 통해서가 아닌 제1메인릴레이(21)와 제2메인릴레이(22)를 통해 전류가 흐르고 있다는 증거이므로, 제1메인릴레이(21)가 비정상적으로 융착된 상태인 것으로 판정할 수 있게 된다.

그리고, 도 9와 도 10은 본 발명에 따른 릴레이 고장진단 방법에서 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 동시 융착시에 전압/전류 상태를 보여주는 도면으로서, 이에 나타낸 바와 같이, 두 메인릴레이(21,22)가 모두 융착되어 있는 상태라면, 인버터 전압은 릴레이 제어와 무관하게 항상 고전압을 유지하고 있을 것이며, 이로써 제1메인릴레이(21) 및 제2메인릴레이(22)의 동시 융착 여부를 체크할 수 있게 된다.

특히, 릴레이 온 시퀀스에서 가장 먼저 온 되는 프리차지 릴레이(23)의 온 이전에 인버터 전압이 미리 설정된 기준전압 이상의 고전압상태라면, 두 메인릴레(21,22)이 모두가 융착된 상태로 판정할 수 있게 된다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 릴레이 고장진단 방법을 예시한 순서도로서, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 시동키 온(IG On) 상태가 되면(S11), 배터리 제어기와 모터 제어기(인버터)를 포함하여 차량 내 각종 제어기들이 웨이크 업(Wake-up) 상태가 되고(S12), 이어 배터리 제어기(이하, 제어기라 약칭함)가 전압센서에 의해 검출된 모터 제어기(MCU)의 DC 링크단 전압, 즉 인버터 전압(Vinv)을 미리 설정된 기준전압(예, 20V)과 비교하게 된다(S13).

이때, 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(20V) 미만이면 제1메인릴레이와 제2메인릴레이가 동시에 융착된 상태는 아닌 것으로 판정하게 된다.

반면, 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(20V) 이상인 상태, 바람직하게는 인버터 전압(Vinv)이 기준전압 이상이면서 현재의 배터리 전압(Vb)(통상의 차량에서 배터리 제어기가 입력받고 있음)으로부터 결정되는 하한값(Vb×α)과 상한값(Vb×β) 사이의 고전압상태인 경우(Vb×α< Vinv < Vb×β), 제1메인릴레이와 제2메인릴레이가 동시에 융착된 상태인 것으로 판정하게 된다(S14,S15).

물론, 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(20V) 이상이지만 상기 하한값과 상한값 사이의 고전압상태가 아니라면, 두 메인릴레이가 동시 융착 상태는 아닌 것으로 판정한다.

만약, 두 메인릴레이가 모두 융착된 상태인 것으로 판정하게 되면, 경고등을 점등하여 운전자에게 알려주고(S27), 두 메인릴레이의 온 제어 상태에서 프리차지 릴레이를 오프 제어하여 릴레이 온 시퀀스를 종료한다(S28,S29,S30).

상기 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값은 배터리 제어기가 입력받은 현재의 배터리 전압(Vb)에 미리 설정된 상수(α)를 곱하여 산출되는 값이 될 수 있으며, 하한값을 결정하기 위한 상수(α)는 도 11에 예시된 바와 같이 0.9(= 90%)로 설정될 수 있다.

또한 상기 배터리 전압으로부터 결정되는 상한값은 현재의 배터리 전압(Vb)에 미리 설정된 상수(β)를 곱하여 산출되는 값이 될 수 있으며, 상한값을 결정하기 위한 상수(β)는 도 11에 예시된 바와 같이 1.1(=110%)로 설정될 수 있다.

그리고, 두 메인릴레이의 동시 융착 상태가 아닌 것으로 판정한 뒤, 제어기는 제어신호를 출력하여 프리차지 릴레이를 온 시키는데(S16), 프리차지 릴레이의 온 제어 후 인버터 전압(Vinv)을 미리 설정된 기준전압(예, 20V)과 비교하며(S17), 이때 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(20V) 미만이면 제2메인릴레이는 융착된 상태가 아닌 것으로 판정하게 된다.

반면, 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(20V) 이상인 상태, 바람직하게는 인버터 전압(Vinv)이 기준전압 이상이면서 현재의 배터리 전압(Vb)으로부터 결정되는 하한값(Vb×α)과 상한값(Vb×β) 사이의 고전압상태인 경우(Vb×α< Vinv < Vb×β), 제2메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하게 된다(S18,S19).

여기서도 인버터 전압이 기준전압 이상이지만 상기 하한값과 상한값 사이의 고전압상태가 아니라면, 제2메인릴레이가 융착 상태는 아닌 것으로 판정한다.

만약, 제2메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하게 되면, 경고등을 점등하여 운전자에게 알려주고(S27), 두 메인릴레이의 온 제어 상태에서 프리차지 릴레이를 오프하여 릴레이 온 시퀀스를 종료한다(S28,S29,S30).

상기한 두 메인릴레이의 동시 융착 체크 과정과 제2메인릴레이의 융착 체크 과정에서 사용되는 기준전압(20V)은 모두 선행 테스트를 통해 얻어진 기준치로서, 릴레이에 대한 아무런 제어가 없는 상태에서 인버터 측 전압 센싱 오차(통상 10 ~ 12 V 가량이 출력됨)를 고려하여 설정한 값이 될 수 있다.

또한 제2메인릴레이의 융착 체크 과정에서 사용되는 기준전압이 도 11에 예시된 바와 같이 두 메인릴레이의 동시 융착 체크 과정에서 사용되는 것과 동일한 것이 될 수 있으나, 선행 테스트를 통해 결정된 상이한 경험치가 될 수도 있다.

또한 제2메인릴레이 융착 체크 과정에서, 배터리 전압(Vb)으로부터 상기 하한값과 상한값을 결정함에 있어 그 결정 방식이나 배터리 전압에 곱하게 되는 상수(α,β) 값은, 두 메인릴레이의 동시 융착 체크 과정에서와 동일할 수 있으나, 다른 것이 될 수도 있다.

그리고, 제2메인릴레이가 융착되지 않은 것으로 판정한 뒤, 제어기는 제어신호를 출력하여 제2메인릴레이를 온 시키는데(S20), 제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제1설정시간(예, 20ms)이 경과한 뒤 인버터 전압(Vinv)을 미리 설정된 기준전압(Vb20)과 비교하며(S21), 이때 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(Vb20) 미만이면 제1메인릴레이 역시 융착된 상태가 아닌 것으로 판정하게 된다.

반면, 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(Vb20) 이상인 상태, 바람직하게는 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(Vb20) 이상이면서 현재의 배터리 전압(Vb)으로부터 결정되는 하한값(Vb×α)과 상한값(Vb×β) 사이의 고전압상태인 경우(Vb×α< Vinv < Vb×β), 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하게 된다(S22,S23).

이와 같이 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하게 되면, 경고등을 점등하여 운전자에게 알려주고(S27), 두 메인릴레이의 온 제어 상태에서 프리차지 릴레이를 오프하여 릴레이 온 시퀀스를 종료한다(S28,S29,S30).

그리고, 인버터 전압(Vinv)이 현재의 배터리 전압(Vb)으로부터 결정되는 상기 하한값과 상한값 사이의 고전압상태가 아니라면, 제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제2설정시간(제1설정시간<제2설정시간)(예, 40ms)이 경과한 뒤 인버터 전압(Vinv)을 미리 설정된 기준전압(Vb40)과 다시 비교하는데(S24), 이때 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(Vb40) 미만이면 제1메인릴레이가 융착된 상태가 아닌 것으로 최종 판정한다.

반면, 제2설정시간 후 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(Vb40) 이상인 상태, 바람직하게는 인버터 전압(Vinv)이 기준전압(Vb40) 이상이면서 현재의 배터리 전압(Vb)으로부터 결정되는 하한값(Vb×α)과 상한값(Vb×β) 사이의 고전압상태인 경우(Vb×α< Vinv < Vb×β), 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하고(S25,S23), 경고등 점등(S27), 메인릴레이 온 제어(S28), 프리차지 릴레이 오프 제어(S29)를 수행한다.

또한 제2설정시간 후 인버터 전압(Vinv)이 상기 하한값과 상한값 사이의 고전압상태가 아니라면 제1메인릴레이가 융착된 상태가 아닌 것으로 판정한다.

이와 같이 제1메인릴레이가 융착된 상태가 아닌 것으로 판정한 뒤, 제1메인릴레이를 온 시키고(S26), 이어 프리차지 릴레이를 오프시켜 릴레이 온 시퀀스를 종료한다(S29,S30).

제1메인릴레이의 융착 체크 과정에서, 제1설정시간(예, 20ms) 경과 뒤 인버터 전압(Vinv)과 비교하게 되는 기준전압(Vb20)은 제1설정시간 후 고전압 배터리에 의해 이론적으로 충전될 수 있는 커패시터의 최대 충전 전압으로, 제2설정시간(예, 40ms) 경과 뒤 비교하게 되는 기준전압(Vb40)은 제2설정시간 후 고전압 배터리에 의해 이론적으로 충전될 수 있는 커패시터의 최대 충전 전압으로 각각 설정될 수 있다.

또한 제1메인릴레이 융착 체크 과정에서, 배터리 전압(Vb)으로부터 상기 하한값과 상한값을 결정하는 결정 방식이나 배터리 전압에 곱하게 되는 상수(α,β) 값은, 두 메인릴레이의 동시 융착 체크 과정 또는 제2메인릴레이의 융착 체크 과정에서와 동일할 수 있으나, 다른 것이 될 수도 있다.

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 : 배터리 20 : 파워 릴레이 어셈블리
21 : 제1메인릴레이 22 : 제2메인릴레이
23 : 프리차지 릴레이 24 : 프리차지 저항
30 : 모터 제어기 31 : 인버터
32 : 전압센서 40 : 구동모터
50 : 배터리 제어기 C : 커패시터

Claims

배터리와 모터 제어기의 DC 링크단을 연결하고 있는 회로 상에 설치되어 배터리의 전원을 개폐하는 메인릴레이의 고장진단 방법에 있어서,
프리차지 릴레이를 온 시키는 과정;
프리차지 릴레이의 온 제어 후 모터 제어기의 DC 링크단 전압을 설정된 기준전압과 비교하는 과정;
상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제2메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정;
상기 DC 링크단 전압이 기준전압 미만이면 제2메인릴레이가 정상 상태인 것으로 판정하고 제2메인릴레이를 온 시키는 과정;
제2메인릴레이의 온 제어 후 DC 링크단 전압을 기준전압과 비교하여 기준전압 이상이면 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정; 및
제2메인릴레이의 온 제어 후 DC 링크단 전압이 기준전압 미만이면 제1메인릴레이가 정상 상태인 것으로 판정하고 제1메인릴레이를 온 시키는 과정을 포함하고,
상기 과정들은 시동키 온 후 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 순차적으로 온 시키기 위한 릴레이 온 시퀀스 제어 동안에 수행되는 것임을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 프리차지 릴레이의 온 이전에 모터 제어기의 DC 링크단 전압을 기준전압과 비교하고 이때 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제1메인릴레이와 제2메인릴레이가 동시에 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 프리차지 릴레이의 온 이전에 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면서 DC 링크단 전압이 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값 사이의 고전압상태인 경우 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 동시 융착 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 프리차지 릴레이의 온 제어 후 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면서 DC 링크단 전압이 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값 사이의 고전압상태인 경우 제2메인릴레이의 융착 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1메인릴레이의 융착 여부를 판정하는 과정은,
제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제1설정시간이 경과한 뒤 DC 링크단 전압을 설정된 기준전압과 비교하는 과정; 및
상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제1설정시간이 경과한 뒤 DC 링크단 전압이, 기준전압 이상이면서 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값 사이의 고전압상태인 경우, 제1메인릴레이의 융착 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 제1설정시간 경과 뒤 DC 링크단 전압과 비교되는 기준전압은 제1설정시간 후 배터리에 의해 이론적으로 충전될 수 있는 커패시터의 최대 충전 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 DC 링크단 전압이 기준전압 미만이면 제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제2설정시간(제2설정시간>제1설정시간)이 경과한 뒤 DC 링크단 전압을 설정된 기준전압과 비교하는 과정; 및
상기 DC 링크단 전압이 기준전압 이상이면 제1메인릴레이가 융착된 상태인 것으로 판정하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제2메인릴레이의 온 제어 시점부터 제2설정시간(제2설정시간>제1설정시간)이 경과한 뒤 DC 링크단 전압이, 기준전압 이상이면서 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값 사이의 고전압상태인 경우, 제1메인릴레이의 융착 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 제2설정시간 경과 뒤 DC 링크단 전압과 비교되는 기준전압은 제2설정시간 후 배터리에 의해 이론적으로 충전될 수 있는 커패시터의 최대 충전 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.
청구항 3, 청구항 4, 청구항 6, 또는 청구항 9에 있어서,
상기 현재의 배터리 전압으로부터 결정되는 하한값과 상한값은 각각 현재의 배터리 전압에 설정된 상수를 곱하여 결정되는 것을 특징으로 하는 친환경자동차의 메인릴레이 고장진단 방법.