KR101823164B1 - 전기 기계용 인버터 및 전기 기계용 인버터의 작동 방법 - Google Patents

전기 기계용 인버터 및 전기 기계용 인버터의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 기계용 인버터 및 전기 기계용 인버터의 작동 방법에 관한 것이다. 인버터(2)는 전기 기계(1)와 에너지 공급 네트워크(3) 사이에 연결부를 형성하기 위한 하나 이상의 최종단 유닛(8)과, 하나 이상의 최종단 유닛(8)을 제어하기 위한 제어 유닛(6)과, 상기 에너지 공급 네트워크(3)와 무관하게 최종단 유닛(들)(8)에 에너지를 공급하기 위한 공급 유닛(7)과, 결함 시 최종단 유닛(들)(8)을 제어하기 위해 최종단 유닛(들)(8)에 할당된 하나 이상의 비상작동 제어 장치(12)와, 결함 시 최종단 유닛(들)을 위한 공급 에너지를 에너지 공급 네트워크(3)로부터 발생시키기 위해 최종단 유닛(들)(8)에 할당된 하나 이상의 비상작동 공급 장치(13)를 포함한다.

Description

전기 기계용 인버터 및 전기 기계용 인버터의 작동 방법{INVERTER FOR AN ELECTRIC MACHINE AND METHOD FOR OPERATING AN INVERTER FOR AN ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 전기 기계용 인버터 및 전기 기계용 인버터의 작동 방법에 관한 것이다.
인버터를 구비한 전기 기계들은 예컨대 하이브리드 차량에서 사용되어, 전동기 모드 또는 제너레이터 모드에서 교대로 작동한다. 전동기 모드에서 전기 기계는 예컨대 가속 단계에서 내연기관을 지원하는 추가의 구동 토크를 발생시키며, 제너레이터 모드에서는 전기 에너지를 발생시키는데, 이는 예컨대 배터리 또는 슈퍼 캡과 같은 에너지 저장 장치 내에 저장된다. 전기 기계의 작동 유형과 출력은 인버터에 의해 조정된다.
하이브리드 자동차에서는 자동차 구동을 위해 전기 기계가 전동식으로 사용될 수 있도록 비교적 높은 전압이 제공되어야 하므로, 전기 네트워크뿐만 아니라 상기 전기 네트워크에 연결된 부품들의 보호를 위해 영구적 손상을 방지하는 조치들이 항상 제공된다.
따라서, 전기 네트워크의 기능 결함이 검출될 때 전기 저장 장치를 네트워크로부터 전기적으로 분리하는 것이 예시적으로 공지되어 있다. 이러한 시점에 전기 기계가 제너레이터 모드에 있으면, 이로 인해 네트워크 전압이 심하게 상승하므로, 인버터의 최종단 손상이 초래될 수 있다.
이를 방지하기 위해, 예컨대 EP 1 524 761 A1호에는 사전 설정 가능한 인버터의 한계 전압이 초과될 경우 단락 모드로 인버터를 스위칭하는 것이 공지되어 있다.
DE 102 21 081 A1호에는 브릿지 회로에 배치되고 전기 기계와 배터리 사이에 연결부를 형성하는 복수의 스위칭 요소들을 포함하는 전기 기계용 인버터가 공지되어 있다. 인버터의 로우 사이드(low-side) 분기 내에 내장된 스위칭 요소들은 인가된 제어 전압 없이 도전성을 갖는 소위, 정상-온 스위칭 요소(normally-on switch)이다. 이로써, 공급 전압이 부족한 경우와 전기 기계가 회전할 경우 전기 기계의 권선들의 단락이 보장되며 과전압은 발생하지 않을 수 있다.
장애 시 펄스 제어 인버터를 구비한 전기 기계를 스위치 오프하기 위한, DE 10 2006 003 254 A1호에 공지된 방법의 경우, 펄스 제어 인버터의 스위치 전체가 개방되는 릴리스 모드로 전기 기계가 먼저 스위칭된 다음 후속해서, 높은 전위에 연결된 스위치가 개방되고 낮은 전위에 연결된 스위치는 폐쇄되는 단락 모드로 상기 전기 기계가 스위칭됨으로써, 전기 기계의 스위치 오프 시 바람직하지 못한 부작용은 최소화되고 정규 기계 작동은 최대화된다.
DE 10 2007 020 509 A1호에는 하이브리드 구동 장치의 전기 기계에서 결함을 처리하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 이 경우 전기 기계의 하나 이상의 작동 매개변수가 해당 작동 매개변수 한계값을 상회하는지의 여부가 우선적으로 검출된다. 하나 이상의 작동 매개변수가 해당 한계값을 상회하는 것이 검출되면, 전기 기계의 공급 단자는 작동 매개변수에 할당된 시간 간격 동안 릴리스되며 공급 단자는 상기 시간 간격이 경과된 후 접지에서 단락된다.
본 발명에 따른 전기 기계용 인버터는 전기 기계와 에너지 공급 네트워크 사이에 연결부를 형성하기 위한 하나 이상의 최종단 유닛과, 하나 이상의 최종단 유닛을 제어하기 위한 제어 유닛과, 상기 에너지 공급 네트워크와 무관하게 최종단 유닛(들)에 에너지를 공급하기 위한 공급 유닛을 포함한다. 또한, 결함 시 최종단 유닛(들)을 제어하기 위해 최종단 유닛(들)에 할당된 하나 이상의 비상작동 제어 장치와, 결함 시 최종단 유닛(들)을 위한 공급 에너지를 에너지 공급 네트워크로부터 발생시키기 위해 최종단 유닛(들)에 할당된 하나 이상의 비상작동 공급 장치가 제공된다.
최종단 유닛(들)에 할당된 하나 이상의 비상작동 제어 장치와, 최종단 유닛(들)에 할당된 하나 이상의 비상작동 공급 장치가 제공됨으로써, 제어 유닛 및/또는 공급 유닛의 기능에 결함이 있을 경우에도 인버터, 특히 인버터의 최종단이 안전한 작동 상태(예컨대, 단락 모드)로 스위칭될 수 있으므로, 최종단의 영구적 손상을 초래할 수 있는 에너지 공급 네트워크의 과전압이 방지된다.
본 발명의 실시예에 따라, 하나 이상의 비상작동 제어 장치는 인버터 내부의 작동 매개변수를 모니터링하며, 하나 이상의 작동 매개변수가 사전 설정된 하한 임계값을 하회하거나 사전 설정된 상한 임계값을 상회할 때 결함을 진단한다. 이로써, 공급 유닛을 통해 제공된 공급 전압이 사전 설정된 하한 임계값에 미달하거나 사전 설정된 상한 임계값을 초과하는지의 여부가 예컨대 모니터링될 수 있다. 마찬가지로 제어 유닛의 제어 신호가 사전 설정된 신호 레벨 간격 내에 위치하는지의 여부가 예컨대 모니터링될 수 있다.
비상작동 제어 장치에 의한 작동 매개변수의 모니터링과 결함의 진단은 회로 기술적으로 바람직한, 본 발명에 따른 인버터의 실시예를 나타낸다. 그러나 대안적으로는, 하나 이상의 분리된 회로 부품들에서도 작동 매개변수의 모니터링 및/또는 결함의 진단이 구현될 수 있다.
추가의 실시예에 따라 하나 이상의 비상작동 공급 장치는 스위치 온/오프 가능하도록 구현된다. 따라서, 결함이 인지된 후 작동 매개변수가 허용된 값 범위로 다시 되돌아갈 경우, 비상작동으로부터 다시 정상작동으로 전환되는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 전기 기계용 인버터의 작동 방법의 경우(이때, 상기 인버터는 전기 기계와 에너지 공급 네트워크 사이에 연결부를 형성하기 위한 하나 이상의 최종단 유닛을 포함한다), 비상작동 시 최종단 유닛(들)은 에너지 공급 네트워크와 무관한 공급 유닛을 통해 에너지를 공급받으며 제어 유닛에 의해 제어된다. 결함이 활성화되는 비상작동 시, 하나 이상의 비상작동 공급 장치를 통해서는 최종단 유닛(들)의 에너지 공급을 위해 에너지 공급 네트워크로부터 에너지가 발생되며 최종단 유닛(들)은 하나 이상의 비상작동 제어 장치에 의해 제어된다.
본 발명에 따른 방법의 실시예에 따라, 하나 이상의 비상작동 공급 장치는 결함의 진단 이후 스위치 온되며, 더 이상 결함이 진단되지 않는 즉시 바람직하게 다시 스위치 오프된다.
추가의 실시예에 따라, 최종단을 통해 흐르는 전류 흐름도 모니터링될 수 있으며, 과전류가 진단될 경우 단락 모드로의 스위칭이 저지될 수 있거나 이미 시작된 단락 모드가 중단될 수 있다. 상기의 방식으로, 과전류로 인한 최종단의 손상 역시 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예의 추가의 특징들과 장점들은 첨부 도면을 참조로 이하의 상세한 설명에 제시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인버터의 개략적인 블록 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 회로 장치의 개략도이다.
예컨대 고전압-견인 네트워크로서 하이브리드 차량에서 구현될 수 있는 에너지 공급 네트워크(3)에는 전기 기계(1)가 인버터(2)에 의해 연결된다. 전동기 모드에서 전기 기계(1)가 작동하면, 전기 기계는 에너지 공급 네트워크(3)로부터 에너지를 공급받는다. 반대로, 제너레이터 모드에서 작동하는 경우 전기 기계는 에너지 공급 네트워크(3)로 전기 에너지를 공급한다. 에너지 공급 네트워크(3)는 에너지 저장 장치(4)(예컨대, 배터리)에 연결된다. 에너지 공급 네트워크(3)는 특 히 전기 네트워크 내부의 기능 결함이 인지될 경우 스위치(5)에 의해 에너지 저장 장치(4)로부터 분리될 수 있다. 인버터(2)는 제어 유닛(6), 공급 유닛(7) 및 최종단 유닛(8)을 포함한다. 이 경우 전기 기계(1)의 각각의 위상을 위해 각각 하나의 최종단 장치(8)가 제공된다. 도시된 실시예는 3상 전기 기계에 기초하고 있으므로, 3개의 최종단 유닛들(8-1, 8-2 및 8-3)이 제공된다. 그러나 전기 기계(1)의 위상의 수에 따라 3개의 최종단 유닛들보다 많거나 적은 최종단 유닛들이 제공될 수도 있다.
공급 유닛(7)은 최종단 유닛들(8-1, 8-2 및 8-3)의 에너지 공급에 사용된다. 공급 유닛은 에너지 공급 네트워크(3)와 무관하게 구현되며 예컨대 하이브리드 차량의 저전압 전기 네트워크에 의해 에너지를 공급받는다. 최종단 유닛들(8-1, 8-2 및 8-3)의 제어는 제어 유닛(6)에 의해 실행된다.
최종단 유닛(8)은 예컨대 파워 반도체 회로 형태의 각각 하나의 최종단(9)과, 최종단 구동 장치(10)를 포함한다. 도시된 실시예에서 최종단 유닛(8)은 무전위로 구현되기 때문에, 공급 유닛(7)과 최종단 구동 장치(10) 사이에 각각 접속된 각각 하나의 위상 공급 유닛(11)이 최종단 유닛(8)에 제공된다. 정상작동 시, 최종단 구동 장치(10-1, 10-2 및 10-3)는 위상 공급 유닛들(11-1, 11-2 또는 11-3)에 의해 공급 유닛(7)으로부터 에너지를 공급받는다. 최종단 유닛(8)이 무전위로 구현되지 않으면, 위상 공급 유닛(11)이 생략될 수도 있으며 최종단 구동 장치(10)는 공급 유닛(7)에 직접 연결될 수 있다. 최종단 구동 장치(10)는 각각의 제어 사전 설정을 제어 유닛(6)으로부터 받으며, 이는 최종단(9)을 구동하기 위한 적합한 제어 신호로 변환된다.
구동 또는 에너지 공급에 결함이 있을 경우 즉, 제어 유닛(6) 및/또는 공급 유닛(7)의 고장 또는 기능 결함 시에도 최종단 유닛(8)을 작동 가능 상태로 유지시키며 에너지 공급 네트워크의 과전압을 확실히 방지하기 위해, 각각의 최종단 유닛(8)에는 비상작동 제어 장치(12)와 비상작동 공급 장치(13)가 제공된다. 결함 시, 각각의 비상작동 제어 장치(12)는 최종단 구동 장치(10)를 위한 제어 사전 설정뿐만 아니라 최종단 유닛(8)의 제어도 맡는다. 비상작동 시 최종단 유닛(8)의 에너지 공급은 비상작동 공급 장치(13)에 의해 실행되며, 상기 비상작동 공급 장치는 요구된 에너지를 에너지 공급 네트워크(3)로부터 발생시킨다.
도시된 실시예의 경우, 각각의 최종단 유닛(8-1 내지 8-3)을 위해 각각 하나의 고유의 비상작동 제어 장치(12-1 내지 12-3)와 비상작동 공급 장치(13-1 내지 13-3)가 제공된다. 그러나 이에 대한 대안으로, 전체 또는 적어도 복수의 최종단 유닛들(8)에 할당되는 비상작동 제어 장치 및/또는 비상작동 공급 장치가 제공될 수도 있다. 이 경우, 제공되고 이용되는 각각의 최종단 유닛(8)에 비상작동 제어 장치(12)와 비상작동 공급 장치(13)가 할당됨으로써, 결함 시 제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7)과 무관하게 최종단 유닛(8)의 제어 또는 에너지 공급이 보장된다는 점만이 중요하다.
비상작동 중(즉, 결함 시) 최종단(9)의 빈번한 스위칭이 요구되지 않기 때문에, 비상작동 공급 장치(13)에 의한 높은 재충전 전류 역시 제공되지 않는다. 따라서 비상작동 공급 장치는 출력 손실이 적도록 설계될 수 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 예시적인 회로가 개략적으로 도시되어 있다. 비상작동 제어 장치(12)는 예컨대 임계값 스위치 형태의 비교 유닛(20)을 포함하며, 이는 위상 공급 유닛(11)으로부터 제공된 공급 전압을 공급 전압의 사전 설정된 하한 임계값 A와 비교한다. 위상 공급 유닛(11)으로부터 제공된 전압값이 임계값 A에 미달하면, 비상작동 공급 장치(13), 특히 그 안에 제공된 저압 조절 장치(21)가 스위치 온된다. 이에 따라 비상작동 공급 장치(13)는 에너지 공급 네트워크(3)로부터 에너지를 발생시킨다. 이때 발생된 전압은 비상작동 제어 장치(12) 내부의 제2 비교 유닛(22)(예컨대, 추가의 임계값 스위치)에 의해 공급 전압의 하한 임계값 B와 비교된다. 비상작동 공급 장치(13)에 의해 발생된 전압이 하한 임계값 B를 초과하는 즉시, 최종단 구동 장치(10)에 제공된 스위칭 수단(23)이 작동한다. 그 결과, 이제 더 이상 최종단(9)은 제어 유닛(6)에 의해 사전 설정된 제어 신호에 의해 제어되는 것이 아니라, 예컨대 최종단(9) 내부의 로우 사이드 스위칭 요소(들)이 도전성으로 스위칭되도록 하는 비상작동 제어 신호(C)에 의해 제어된다. 제공되고 이용되는 최종단 유닛들(8) 모두에 이러한 제어가 적용되면, 에너지 공급 네트워크(3)의 과전압뿐만 아니라 최종단(9)의 영구적 손상을 확실히 방지하는 인버터(2)의 단락 모드가 구현된다.
추가로, 최종단을 통해 흐르는 전류 흐름도 모니터링될 수 있으며, 과전류가 진단될 경우 단락 모드로의 스위칭이 전혀 허용되지 않거나 이미 시작된 단락 모드가 중단될 수 있다. 상기의 방식으로, 과전류로 인한 최종단의 손상 역시 추가로 방지될 수 있다.

Claims (12)

  1. 하이브리드 차량에서의 전기 기계(1)용 인버터(2)이며,
    -전기 기계(1)와 에너지 공급 네트워크(3) 사이에 연결부를 형성하기 위한 하나 이상의 최종단 유닛(8)과,
    -하나 이상의 최종단 유닛(8)을 제어하기 위한 제어 유닛(6)과,
    -상기 에너지 공급 네트워크(3)와 무관하게 최종단 유닛(들)(8)에 에너지를 공급하기 위한 공급 유닛(7)과,
    -인버터(2) 내부의 작동 매개변수를 모니터링하며, 하나 이상의 작동 매개변수가 사전 설정된 하한 임계값을 하회하거나 사전 설정된 상한 임계값을 상회할 때 제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7) 중 적어도 하나의 결함을 진단하고, 제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7) 중 적어도 하나의 결함 시, 최종단 유닛(들)(8)을 제어하기 위해 최종단 유닛(들)(8)에 할당된 하나 이상의 비상작동 제어 장치(12)와,
    -제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7) 중 적어도 하나의 결함 시, 최종단 유닛(들)을 위한 공급 에너지를 에너지 공급 네트워크(3)로부터 발생시키기 위해 최종단 유닛(들)(8)에 할당된 하나 이상의 비상작동 공급 장치(13)를 구비하고,
    제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7) 중 적어도 하나의 결함 시, 비상작동 제어 장치(12)는 제어 유닛(6)과 무관하게 최종단 유닛(들)(8)을 제어하고,
    제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7) 중 적어도 하나의 결함 시, 비상작동 공급 장치(13)는 공급 유닛(7)과 무관하게 최종단 유닛(들)(8)을 위한 공급 에너지를 발생시키고,
    전기 기계(1)가 선택적으로 모터로서 작동된다면, 전기 기계(1)는 에너지를 에너지 공급 네트워크(3)로부터 제공받고, 전기 기계(1)가 선택적으로 발전기로서 작동된다면, 전기 기계(1)는 반대로 에너지를 에너지 공급 네트워크(3)로 제공하는, 전기 기계용 인버터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 비상작동 공급 장치(13)는 스위치 온/오프 가능하도록 구현되는, 전기 기계용 인버터.
  4. 하이브리드 차량에서의 전기 기계(1)용 인버터(2)의 작동 방법이며,
    상기 인버터(2)는 전기 기계(1)와 에너지 공급 네트워크(3) 사이에 연결부를 형성하기 위해 하나 이상의 최종단 유닛(8)을 포함하고,
    최종단 유닛(들)(8)은 에너지 공급 네트워크(3)와 무관한 공급 유닛(7)을 통해 에너지를 공급받으며 제어 유닛(6)에 의해 제어되고,
    하나 이상의 비상작동 제어 장치(12)에 의해 인버터(2) 내부의 작동 매개변수를 모니터링하며, 하나 이상의 작동 매개변수가 사전 설정된 하한 임계값을 하회하거나 사전 설정된 상한 임계값을 상회할 때 제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7) 중 적어도 하나의 결함을 진단하고,
    제어 유닛(6) 및 공급 유닛(7) 중 적어도 하나의 결함 시, 하나 이상의 비상작동 공급 장치(13)를 통해서는 최종단 유닛(들)(8)의 에너지 공급을 위해 공급 유닛(7)과 무관하게 에너지 공급 네트워크(3)로부터 에너지가 발생되며, 최종단 유닛(들)(8)은 제어 유닛(6)과 무관하게 하나 이상의 비상작동 제어 장치(12)에 의해 제어되고,
    전기 기계(1)가 선택적으로 모터로서 작동하면, 전기 기계(1)는 에너지를 에너지 공급 네트워크(3)로부터 제공받고, 전기 기계(1)가 선택적으로 발전기로서 작동하면, 전기 기계(1)는 반대로 에너지를 에너지 공급 네트워크(3)로 제공하는, 전기 기계용 인버터의 작동 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서, 결함의 진단 이후 하나 이상의 비상작동 공급 장치(13)가 스위치 온되는, 전기 기계용 인버터의 작동 방법.
  8. 제7항에 있어서, 더 이상 결함이 진단되지 않는 즉시 하나 이상의 비상작동 공급 장치(13)가 다시 스위치 오프되는, 전기 기계용 인버터의 작동 방법.
  9. 제4항에 있어서, 비상작동 제어 장치는 에너지 공급 네트워크의 과전압이 방지되도록 각각의 최종단 유닛을 제어하는, 전기 기계용 인버터의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 비상작동 제어 장치(12)는 최종단 유닛(8) 내부의 스위칭 요소가 단락 모드로 스위칭되도록 각각의 최종단 유닛(8)을 제어하는, 전기 기계용 인버터의 작동 방법.
  11. 제10항에 있어서, 비상작동 제어 장치(12)는 최종단의 과전류가 방지되도록 각각의 최종단 유닛(8)을 제어하는, 전기 기계용 인버터의 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 과전류가 진단될 경우 단락 모드로의 스위칭이 저지되거나 단락 모드가 중단되는, 전기 기계용 인버터의 작동 방법.
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