KR102488140B1 - 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치 - Google Patents

친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치 Download PDF

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Abstract

친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치가 개시된다. 본 발명의 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 직류-링크 커패시터와 모터를 연결시키는 제1 게이트 드라이버 모듈; 모터를 접지와 연결시키는 제2 게이트 드라이버 모듈; 및 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압과 기 설정된 기준전압에 따라 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 생성하고, 구동 전원을 이용하여 강제 방전이 필요한 상황을 선별한 후 선별 결과에 따라 제1 게이트 드라이버 모듈과 제2 게이트 드라이버 모듈를 제어하는 액티브 방전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치{INVERTER DC-LINK VOLTAGE DISCHARGE APPARATUS FOR ECO-FRIENDLY VEHICLE}
본 발명은 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 치환경 차량의 직류-링크 전압 배터리의 릴레이가 온된 후 직류-링크 커패시터에 충전된 직류-링크 전압을 방전시키는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치에 관한 것이다.
탄소배출 규제 정책에 따라 자동차 업계에 석유를 기반으로 한 자동차는 연료 효율을 높이고 탄소 배출 감소를 요구하게 되었다. 이에 전기에 의해 자동차를 거동시키고 배기가스를 발생시키지 않는 하이브리드 자동차(Hybrid Vehicle, HV) 또는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV) 등의 친환경 자동차(xEV)가 다양한 형태로 개발되고 있으며, 수요 또한 급속히 증가하고 있는 실정이다.
이러한 친환경 자동차(xEV)의 구동 모터와 HSG(Hybrid Starter Generator)를 구동하는 인버터(Inverter)의 직류단에는 메인 배터리로부터 전력을 안정적으로 공급받기 위한 대용량 커패시터가 탑재되어 있다.
대용량 커패시터는 공급되는 전력의 노이즈(Noise) 및 리플(Rifle) 등을 억제하여 전압변동을 감쇠시키는 역할을 한다. 친환경 자동차(xEV)가 키 온(Key ON) 상태가 되면 메인 배터리의 메인 릴레이가 같이 온(ON)이 되어 대용량 커패시터에 직류-링크 전압이 충전되며, 그 결과 인버터나 저전압 직류 변환기(Low voltage DC/DC Converter, LDC)는 일정한 직류(DC) 전압으로 구동할 수 있게 된다.
이에 따라, 단순 저항만을 이용하여 대용량 커패시터를 방전시키는 패시브 방전 방법과 CPU(Central Processing Unit)에서 대용량 커패시터를 선택적으로 방전시키는 액티브 방전 방법이 개시되었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2020-0005281호(2020.01.15)의 '모터 구동용 인버터의 직류-링크 커패시터 방전 시스템 및 방법'에 개시되어 있다.
종래의 패시브 방전 방법은 저항을 직류-링크 커패시터 양단에 연결함으로써 상시 전류를 흐르게 하는 방법으로 상시 전력 소모와 발열이 발생한다.
액티브 방전 방법은 CPU에서 제어하여 선택적으로 방전시키는 방법으로 CPU 메인 레귤레이터 등 제어기 고장 상황 발생시 직류-링크 커패시터에 충전된 전압을 소진할 방법이 없다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 차량의 이그니션 오프시 뿐만 아니라 제어기 고장 발생시에도 직류-링크 커패시터의 전압을 방전시킬 수 있도록 한 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 직류-링크 커패시터와 모터를 연결시키는 제1 게이트 드라이버 모듈; 상기 모터를 접지와 연결시키는 제2 게이트 드라이버 모듈; 및 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압과 기 설정된 기준전압에 따라 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 생성하고, 상기 구동 전원을 이용하여 상기 강제 방전이 필요한 상황을 선별한 후 선별 결과에 따라 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈을 제어하는 액티브 방전부를 포함하고, 상기 액티브 방전부는 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압과 상기 기준전압을 비교하여 비교 결과에 따라 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부에서 공급된 구동 전원으로 상기 강제 방전이 필요한 상황을 선별하여 선별 결과에 따라 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈을 제어하는 방전 출력 제어부; 및 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 감지하여 상기 전원 공급부에 입력하는 감지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1 게이트 드라이버 모듈은 상기 모터를 구동시키기 위한 인버터의 상단 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제2 게이트 드라이버 모듈은 상기 모터를 구동시키기 위한 인버터의 하단 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명의 상기 전원 공급부는 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압과 상기 기준전압을 비교하는 비교기; 상기 비교기의 출력으로 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈의 구동을 위한 전원을 공급하는 제1 구동 전원을 생성하는 게이트 전원 출력부; 및 상기 제1 구동 전원으로 상기 액티브 방전부의 구동을 위한 제2 구동 전원을 생성하는 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 방전 출력 제어부는 상기 전원 공급부로부터 공급된 전원과 커패시터의 충전 속도를 이용하여 방전 제어 출력을 생성하는 방전 제어 출력 생성부; 상기 강제 방전이 필요한 상황인지를 선별하는 선별부; 상기 선별부의 출력에 따라 상기 인버터를 제어하는 CPU의 출력을 차단하는 차단부; 및 상기 선별부의 출력에 따라 상기 방전 제어 출력 생성부의 방전 제어 출력을 버퍼링하여 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈에 입력하는 방전 제어 출력 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 선별부는 상기 CPU의 동작 상태에 대한 와치독 신호와 상기 CPU의 리퀘스트를 토대로 상기 강제 방전이 필요한 상황인지를 선별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 강제 방전이 필요한 상황은, 이그니션 오프 상황, 상기 CPU가 고장 상태인 상황, 및 상기 CPU가 정상 동작 중 방전이 필요한 상황 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 감지부는 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 감지하는 고전압 센싱부; 및 상기 제1 게이트 드라이버 모듈로부터 입력된 전원을 상기 고전압 센싱부의 동작에 필요한 동작 전원으로 변환하여 상기 고전압 센싱부에 입력하는 레귤레이터를 포함하고, 상기 고전압 센싱부는 상기 제2 구동 전원과 상기 동작 전원을 입력받고, 직류-링크 전압 배터리계와 저전압 배터리계를 절연시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 차량의 이그니션 오프시 뿐만 아니라 제어기 고장 발생시에도 직류-링크 커패시터의 전압을 방전시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 직류-링크 커패시터의 전압 방전시 발생되는 전력 소모 및 방열 문제를 해결하고, 전체 회로의 원가 및 사이즈를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 고장 상환에서 세이프 스테이트(safe state)로 천이가 가능하므로 기능 안전을 만족시킬 수 있으며 하드웨어 구성을 통해 CPU 메모리의 리소스를 절감할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 회로도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 내 게이트 드라이브 모듈의 예시도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 정상 작동 상황의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 정상 작동 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 이그니션 오프시 액티브 방전 상태를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 이그니션 오프시 액티브 방전 과정을 나타낸 순서도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 CPU 고장 상황 발생시 액티브 방전 상태를 나타낸 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 CPU 고장 상황 발생시 액티브 방전 과정을 나타낸 순서도이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 정상 작동 중 방전 필요 상화 발생시 액티브 방전 과정을 나타낸 순서도이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 회로도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 내 게이트 드라이버 모듈의 예시도이다.
도 1 을 참조하면, 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 제1 게이트 드라이버 모듈(30), 제2 게이트 드라이버 모듈(40) 및 액티브 방전부(20)를 포함한다.
친환경 자동차에는 전기에 의해 자동차를 거동시키고 배기가스를 발생시키지 않는 하이브리드 자동차(Hybrid Vehicle, HV) 또는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)가 포함될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 에서, CPU(50)(Central Processing Unit)는 모터 구동을 위한 인버터를 제어한다.
도 2 를 참조하면, 인버터는 내부에 6개의 게이트 드라이버 모듈을 포함한다. 6개의 게이트 드라이버 모듈에서, 3개는 상단 게이트 드라이버 모듈이고, 3개는 하단 게이트 드라이버 모듈이다.
상단 게이트 드라이버 모듈과 하단 게이트 드라이버 모듈은 1개씩 직렬 연결되며, 이에 인버터에는 총 3쌍의 상단 게이트 드라이버 모듈과 하단 게이트 드라이버 모듈이 구비될 수 있다.
이에, 3쌍의 상단 게이트 드라이버 모듈과 하단 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나는 모터(80)의 U상과 연결되고, 다른 하나는 모터(80)의 V상과 연결되며, 나머지 하나는 모터(80)의 W상과 연결된다.
CPU(50)는 인버터에 구비된 6개의 게이트 드라이드 모듈 각각을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어함으로써, 모터 구동을 위한 제어전류를 모터(80)에 입력한다.
PWM 출력 버터는 CPU(50)로부터 입력된 PWM 출력을 버퍼링하여 상기한 6개의 게이트 드라이버 모듈에 입력한다.
인버터의 구조 및 CPU(50)가 PWM 출력을 통해 모터(80)를 제어하는 방식 등은 당업자에게 자명한 사항인 바, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
제1 게이트 드라이버 모듈(30)은 액티브 방전부(20)의 방전 제어 출력(PWM 신호)에 따라 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)를 모터(80)와 연결시킨다.
제1 게이트 드라이버 모듈(30)은 모터 구동을 위해 인버터에 구비된 6개의 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나가 채용될 수 있다. 이 경우, 제1 게이트 드라이버 모듈(30)은 모터(80)의 입력단과 연결되는 상단 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나일 수 있다.
제2 게이트 드라이버 모듈(40)은 액티브 방전부(20)의 방전 제어 출력에 따라 모터(80)를 접지와 연결시킨다.
제2 게이트 드라이버 모듈(40)은 모터 구동을 위해 인버터에 구비된 6개의 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나가 채용될 수 있다. 이 경우, 제2 게이트 드라이버 모듈(40)은 모터(80)의 출력단과 연결되는 하단 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나일 수 있다.
일 예로, 제1 게이트 드라이버 모듈(30)은 A 게이트 드라이버 모듈이나 C 게이트 드라이버 모듈이 채용될 수 있고, 제2 게이트 드라이버 모듈(40)은 D 게이트 드라이버 모듈이나 F 게이트 드라이버 모듈이 채용될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 게이트 드라이버 모듈(30)로 C 게이트 드라이버 모듈을 예시로 설명하고, 제2 게이트 드라이버 모듈(40)은 F 게이트 드라이버 모듈을 예시로 설명한다.
상기한 바와 같이 인버터에 구비된 게이트 드라이버 모듈이 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)로 이용될 수 있어, 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 방전시키기 위한 전체 회로의 원가 및 사이즈가 감소시킬 수 있다.
도 1 에서, 도면부호 10은 고전압 배터리이다. 내부의 릴레이(Relay)가 턴오프됨으로써, 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)에 충전된 직류-링크 전압이 방전될 수 있다.
액티브 방전부(20)는 고전아 배터리의 릴레이가 오프되면 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)에 충전된 직류-링크 전압을 방전시킨다.
이를 위해, 액티브 방전부(20)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압과 기 설정된 기준전압에 따라 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 생성하고, 구동 전원을 이용하여 강제 방전이 필요한 상황을 선별한 후 선별 결과에 따라 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)을 제어한다.
액티브 방전부(20)는 전원 공급부(21), 방전 출력 제어부(23) 및 감지부(22)를 포함한다.
전원 공급부(21)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 비교 결과에 따라 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 공급한다.
전원 공급부(21)는 비교기(211), 게이트 전원 출력부(212) 및 레귤레이터(213)를 포함한다.
비교기(211)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 비교 결과를 게이트 전원 출력부(212)에 입력한다. 비교기(211)는 비반전 단자로 직류-링크 전압을 입력받고 반전 단자로 기준전압을 입력받는다. 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압은 감지부(22)에 의해 감지될 수 있다.
비교기(211)를 이용하여 기준전압과 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 전압을 비교하는 이유는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)가 방전되어 직류-링크 전압이 설정된 기준전압만큼 낮아지게 되면 액티브 방전부(20)가 안전하게 오프될 수 있도록 하기 위함이다.
기준전압은 사용자에 의해 설정될 수 있으며, 예컨대 50V로 설정될 수 있다.
게이트 전원 출력부(212)는 비교기(211)의 출력을 인에이블 단자로 입력받아 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40) 구동을 위한 전원을 공급하는 제1 구동 전원(Vgate_12)을 생성한다.
제1 구동 전원(Vgate_12)은 12V 전원이며, 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40), 즉 C 게이트 드라이버 모듈과 F 게이트 드라이버 모듈의 트랜스포머 전원에 공급된다.
레귤레이터(213)는 제1 구동 전원(Vgate_12)으로 액티브 방전부(20)의 구동을 위한 제2 구동 전원(Vgate_5)을 생성한다.
제2 구동 전원(Vgate_5)은 5V 전원이며 액티브 방전버의 로직 IC(Integrated Circuit)에 공급된다.
방전 출력 제어부(23)는 전원 공급부(21)에서 공급된 구동 전원으로 강제 방전이 필요한 상황을 선별하여 선별 결과에 따라 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)을 제어한다.
방전 출력 제어부(23)는 방전 제어 출력 생성부(231), 선별부(232), 차단부(234) 및 방전 제어 출력 버퍼(233)를 포함한다.
방전 제어 출력 생성부(231)는 전원 공급부(21)로부터 공급된 전원과 커패시터의 충전 속도를 이용하여 방전 제어 출력을 생성한다.
방전 제어 출력 생성부(231)는 제1 내지 제4 저항(R1~R4), 비교기 및 커패시터(C1)를 포함한다.
비교기는 비반전 단자가 제2 구동 전원(Vgate_5)과 연결되고, 제1 저항(R1)은 비교기의 비반전 단자와 연결되고, 제2 저항(R2)은 비반전 단자와 출력단의 귀환라인에 연결되며, 제3 저항(R3)은 접지와 연결된다. 비교기는 반전 단자가 커패시터(C1)를 통해 접지와 연결되고 제4 저항(R4)은 반전 단자와 출력단의 귀환라인에 연결된다.
여기서, 제1 저항 내지 제3 저항(R1~R3)은 동일하다.
커패시터(C1)와 제4 저항(R4)의 값은 모터(80)의 stator 저항(RM)값 및 stator 인덕턴스(LM)값을 통하여 인덕턴스의 전류가 saturation되지 않는 주파수 범위로 선정될 수 있다. 이 강제 방전시 모터(80)를 통해 전류를 흘러 보내며 인덕턴스를 활용하여 전류를 제한하기 때문이다.
커패시터(C1)와 제4 저항(R4)의 Value 선정 방법은 다음과 같다.
전류 패스가 형성되었을 때의 시간에 따른 전류 IL은 아래의 수학식과 같다.
Figure 112021016717087-pat00001
여기서, 상기한 수학식을 통해 t값이 선정될 수 있으며, 이 t값을 사용하여 목표 주파수화 환산할 수 있다. 목표 주파수는
Figure 112021016717087-pat00002
이다.
즉, 방전 제어 출력 생성부(231)는 비교기와 커패시터(C1)의 충전 속도를 이용하여 PWM 출력을 내며, 커패시터(C1)와 제4 저항(R4)의 사용자가 원하는 주파수의 PWM 출력이 가능하게 된다.
이러한 목표 주파수를 통해 커패시터(C1)와 제4 저항(R4)의 Value가 선정될 수 있다.
일 예로, 제1 내지 제3 저항(R1 내지 R3)은 5kΩ, 커패시터(C1)가 100nF, 및 제4 저항(R4)이 15kΩ으로 설정될 수 있으며, 이 경우 목표 주파수는 약 500hz로 설정될 수 있다.
선별부(232)는 강제 방전이 필요한 상황인지를 선별한다.
선별부(232)는 CPU(50)의 동작 상태에 대한 와치독 신호(WatchDog Output)와 CPU(50)의 리퀘스트(CPU(50)_Request)를 토대로 강제 방전이 필요한 상황인지를 선별한다. 즉, 선별부(232)는 OR 게이트(OR GATE)를 포함하며, OR 게이트의 입력단에 CPU(50)의 동작 상태에 대한 와치독 신호(WatchDog Output)와 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)를 각각 입력받아 출력한다.
차단부(234)는 선별부(232)의 출력에 따라 인버터를 제어하는 CPU(50)의 출력을 차단한다. 차단부(234)는 선별부(232)의 출력을 반전시켜 PWM 출력 버퍼(60)에 입력한다. 이에 따라, PWM 출력 버퍼(60)는 강제 방전이 필요한 상황에서 오프된다. 따라서, CPU(50)의 PWM 출력이 인버터에 입력되지 않게 된다.
방전 제어 출력 버퍼(233)는 선별부(232)의 출력에 따라 방전 제어 출력 생성부(231)의 방전 제어 출력을 버퍼링하여 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)에 입력한다.
강제 방전이 필요한 상황과 정상 동작이 필요한 상황은 아래의 표 1 과 같다.
발생 상황에 따른 제어 출력표
발생 상황 WatchDog Output Signal CPU_Request OR GATE PWM 출력 방전 제어 출력
정상 동작 H L L ON OFF
IGN OFF L don't matter H OFF ON
CPU가 고장 상태인 상황 L don't matter H OFF ON
CPU가 정상 동작 중 방전이 필요한 상황 H H H OFF ON
즉, 방전이 필요한 상황으로는, 이그니션 오프 상황, CPU(50)가 고장 상태인 상황, 및 CPU(50)가 정상 동작 중 방전이 필요한 상황이 포함될 수 있으며, 이 경우에는 CPU(50)의 출력은 차단되고 방전 제어 출력이 제1 게이트 드라이버 모듈(30)에 제2 게이트 드라이버 모듈(40)에 입력된다.
한편, 상기한 바와 같이 방전 출력 제어부(23)부의 방전 제어 출력에 따라, 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)이 턴온되고, 이에 따라 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)와 모터(80) 및 접지로 연결되는 전류 패스가 형성됨으로써, 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)를 방전시킬 수 있게 된다.
감지부(22)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하여 전원 공급부(21)에 입력한다.
감지부(22)는 고전압 센싱부(222) 및 레귤레이터(221)를 포함한다.
고전압 센싱부(222)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지한다.
레귤레이터(221)는 제1 게이트 드라이버 모듈(30)로부터 입력된 전원을 고전압 센싱부(222)의 동작에 필요한 동작 전원으로 변환하여 고전압 센싱부(222)에 입력한다.
특히, 고전압 센싱부(222)는 이그니션 오프 또는 고장 상황에서도 동작이 될 수 있도록 독립된 전원인 제2 구동 전원(Vgate_5)과 동작 전원을 입력받는다.
여기서, 고전압 센싱부(222)는 고전압 배터리계와 저전압 배터리계를 절연시키는 isolation 기능을 구비하며, 이에 제2 구동 전원(Vgate_5)과 동작 전원을 양방향으로 입력받는다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치를 도 3 내지 도 9 를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 정상 작동 상황의 동작 상태를 나타낸 도면이고, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 정상 작동 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3 및 도 4 를 참조하면, 차량의 시동이 온되면(S100), 감지부(22)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하고, 방전 출력 제어부(23)가 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하는지를 판단한다(S102).
S102 단계에서의 판단 결과 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하면, 전원 공급부(21)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 공급한다(S104).
이에, 방전 출력 제어부(23)는 강제 방전이 필요한 상황인지를 판단한다. 즉, 방전 출력 제어부(23)는 와치독 신호(WatchDog Output)가 하이이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 로우인지를 판단한다(S106).
S106 단계에서의 판단 결과 와치독 신호(WatchDog Output)가 하이이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 로우이면, 반전 출력 제어부의 방전 출력 버퍼가 오프되고 PWM 출력 버퍼(60)가 온(S110)됨으로써, 모터 구동이 정상적으로 이루어진다(S110).
다음은 차량의 이그니션 오프 상태에서의 강제 방전 과정이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 이그니션 오프시 액티브 방전 상태를 나타낸 도면이고, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 이그니션 오프시 액티브 방전 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5 및 도 6 을 참조하면, CPU(50)의 정상 작동우 차량의 이그니션이 오프되면(S200), 감지부(22)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하고, 방전 출력 제어부(23)가 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하는지를 판단한다(S202).
S202 단계에서의 판단 결과 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하면, 전원 공급부(21)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원의 출력을 계속 유지한다(S204).
이에, 방전 출력 제어부(23)는 강제 방전이 필요한 상황인지를 판단한다. 즉, 방전 출력 제어부(23)는 와치독 신호(WatchDog Output)가 로우이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 don't matter인지를 판단한다(S206).
S206 단계에서의 판단 결과 와치독 신호(WatchDog Output)가 로우이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 don't matter이면, 반전 출력 제어부의 방전 출력 버퍼가 온되고 PWM 출력 버퍼(60)가 오프(S208)된다. 이에 따라 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)이 턴온됨으로써, 직류-링크 전압이 방전된다(S210).
이때, 감지부(22)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하고, 방전 출력 제어부(23)가 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 직류-링크 전압이 기준전압 미만인지를 판단한다(S212).
S202 단계에서의 판단 결과 직류-링크 전압이 기준전압 미만이면, 전원 공급부(21)는 구동 전원의 출력을 오프시킨다(S214).
다음으로, CPU(50) 고장 상태에서의 강제 방전 과정이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 CPU 고장 상황 발생시 액티브 방전 상태를 나타낸 도면이고, 도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 CPU 고장 상황 발생시 액티브 방전 과정을 나타낸 순서도이다.
도 7 과 도 8 을 참조하면, CPU(50)에 고장 상황이 발생되면(S300), 고장 발생에 따른 고전압 배터리(10)의 릴레이가 오픈된다(S302).
이어, 감지부(22)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하고, 방전 출력 제어부(23)가 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하는지를 판단한다(S304).
S304 단계에서의 판단 결과 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하면, 전원 공급부(21)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원의 출력을 계속 유지한다(S306).
이에, 방전 출력 제어부(23)는 강제 방전이 필요한 상황인지를 판단한다. 즉, 방전 출력 제어부(23)는 와치독 신호(WatchDog Output)가 로우이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 don't matter인지를 판단한다(S308).
S308 단계에서의 판단 결과 와치독 신호(WatchDog Output)가 로우이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 don't matter이면, 반전 출력 제어부의 방전 출력 버퍼가 온되고 PWM 출력 버퍼(60)가 오프(S310)된다. 이에 따라 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)이 턴온됨으로써, 직류-링크 전압이 방전된다(S312).
이때, 감지부(22)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하고, 방전 출력 제어부(23)가 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 직류-링크 전압이 기준전압 미만인지를 판단한다(S314).
S202 단계에서의 판단 결과 직류-링크 전압이 기준전압 미만이면, 전원 공급부(21)는 구동 전원의 출력을 오프시킨다(S316).
다음은, 차량 구동 중 방전이 필요한 상황에서의 강제 방전 과정이다. 차량 구동 중 방전이 필요한 상황은 차량 구동 중 고전압 와이어링 하네스(W/H)가 탈거되는 상황을 예시로 설명한다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 정상 작동 중 방전 필요 상화 발생시 액티브 방전 과정을 나타낸 순서도이다.
도 9 를 참조하면, 차량 구동 중 고전압 와이어링 하네스(W/H)가 탈거되면(S400), CPU(50)는 고장 상황 인식후 모터 구동을 중지하고(S402), 이러한 고장 발생에 따른 고전압 배터리(10)의 릴레이가 오픈된다(S404).
이어, 감지부(22)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하고, 방전 출력 제어부(23)가 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하는지를 판단한다(S406).
S406 단계에서의 판단 결과 직류-링크 전압이 기준전압을 초과하면, 전원 공급부(21)가 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원의 출력을 계속 유지한다(S408).
이에, 방전 출력 제어부(23)는 강제 방전이 필요한 상황인지를 판단한다. 즉, 방전 출력 제어부(23)는 와치독 신호(WatchDog Output)가 하이(CPU(50) 정상 작동으로 하이 출력)이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 하이(방전 요청)인지를 판단한다(S410).
S410 단계에서의 판단 결과 와치독 신호(WatchDog Output)가 하이이고 CPU(50)의 리퀘스트(CPU_Request)가 하이이면, 반전 출력 제어부의 방전 출력 버퍼가 온되고 PWM 출력 버퍼(60)가 오프(S412)된다. 이에 따라 제1 게이트 드라이버 모듈(30)과 제2 게이트 드라이버 모듈(40)이 턴온됨으로써, 직류-링크 전압이 방전된다(S414).
이때, 감지부(22)는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 직류-링크 전압을 감지하고, 방전 출력 제어부(23)가 직류-링크 전압과 기준전압을 비교하여 직류-링크 전압이 기준전압 미만인지를 판단한다(S416).
S202 단계에서의 판단 결과 직류-링크 전압이 기준전압 미만이면, 전원 공급부(21)는 구동 전원의 출력을 오프시킨다(S418).
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10 에는 제1 내지 제3 저항이 5KΩ이고, 커패시터가 100nF이며, 제4 저항이 15KΩ이며, 목표주파수를 약 500hz로 설정한 경우의 시뮬레이션 결과가 도시되었다.
시뮬레이션 한 결과 DC-Link 전압 500V가 50V(Vref설정값)까지 751.3ms 만에 방전이 완료되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 차량의 이그니션 오프시 뿐만 아니라 제어기 고장 발생시에도 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 전압을 방전시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 직류-링크 커패시터(DC-Link Capacitor)의 전압 방전시 발생되는 전력 소모 및 방열 문제를 해결하고, 전체 회로의 원가 및 사이즈를 감소시킬 수 있다.
게다가, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치는 고장 상환에서 세이프 스테이트(safe state)로 천이가 가능하므로 기능 안전을 만족시킬 수 있으며 하드웨어 구성을 통해 CPU 메모리의 리소스를 절감할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 고전압 배터리 20: 액티브 방전부
21: 전원 공급부 211: 비교기
212: 게이트 전원 출력부 213: 레귤레이터
22: 감지부 221: 레귤레이터
222: 고전압 센싱부 23: 방전 출력 제어부
231: 방전 제어 출력 생성부 232: 선별부
233: 방전 제어 출력 버퍼 234: 차단부
30: 제1 게이트 드라이버 모듈 40: 제2 게이트 드라이버 모듈
50: CPU 60: PWM 출력 버퍼
80: 모터

Claims (9)

  1. 직류-링크 커패시터와 모터를 연결시키는 제1 게이트 드라이버 모듈;
    상기 모터를 접지와 연결시키는 제2 게이트 드라이버 모듈; 및
    상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압과 기 설정된 기준전압에 따라 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 생성하고, 상기 구동 전원을 이용하여 상기 강제 방전이 필요한 상황을 선별한 후 선별 결과에 따라 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈을 제어하는 액티브 방전부를 포함하고,
    상기 액티브 방전부는 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압과 상기 기준전압을 비교하여 비교 결과에 따라 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 강제 방전시키기 위한 구동 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부에서 공급된 구동 전원으로 상기 강제 방전이 필요한 상황을 선별하여 선별 결과에 따라 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈을 제어하는 방전 출력 제어부; 및 상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 감지하여 상기 전원 공급부에 입력하는 감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 게이트 드라이버 모듈은
    상기 모터를 구동시키기 위한 인버터의 상단 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 게이트 드라이버 모듈은
    상기 모터를 구동시키기 위한 인버터의 하단 게이트 드라이버 모듈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전원 공급부는
    상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압과 상기 기준전압을 비교하는 비교기;
    상기 비교기의 출력으로 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈의 구동을 위한 전원을 공급하는 제1 구동 전원을 생성하는 게이트 전원 출력부; 및
    상기 제1 구동 전원으로 상기 액티브 방전부의 구동을 위한 제2 구동 전원을 생성하는 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 방전 출력 제어부는
    상기 전원 공급부로부터 공급된 전원과 커패시터의 충전 속도를 이용하여 방전 제어 출력을 생성하는 방전 제어 출력 생성부;
    상기 강제 방전이 필요한 상황인지를 선별하는 선별부;
    상기 선별부의 출력에 따라 상기 인버터를 제어하는 CPU의 출력을 차단하는 차단부; 및
    상기 선별부의 출력에 따라 상기 방전 제어 출력 생성부의 방전 제어 출력을 버퍼링하여 상기 제1 게이트 드라이버 모듈과 상기 제2 게이트 드라이버 모듈에 입력하는 방전 제어 출력 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 선별부는
    상기 CPU의 동작 상태에 대한 와치독 신호와 상기 CPU의 리퀘스트를 토대로 상기 강제 방전이 필요한 상황인지를 선별하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 강제 방전이 필요한 상황은, 이그니션 오프 상황, 상기 CPU가 고장 상태인 상황, 및 상기 CPU가 정상 동작 중 방전이 필요한 상황 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 감지부는
    상기 직류-링크 커패시터의 직류-링크 전압을 감지하는 고전압 센싱부; 및
    상기 제1 게이트 드라이버 모듈로부터 입력된 전원을 상기 고전압 센싱부의 동작에 필요한 동작 전원으로 변환하여 상기 고전압 센싱부에 입력하는 레귤레이터를 포함하고,
    상기 고전압 센싱부는 상기 제2 구동 전원과 상기 동작 전원을 입력받고, 직류-링크 전압 배터리계와 저전압 배터리계를 절연시키는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 직류 링크 전압 방전 장치.
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