KR102532337B1 - 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법 - Google Patents

모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템은, 충전에 의해 그 양단에 직류 링크 전압을 형성하는 직류 링크 커패시터; 상기 직류 링크 전압이 인가되는 입력단과, 복수의 스위칭 소자와, 상기 복수의 스위칭 소자의 단락/개방 제어에 의해 상기 직류 링크 전압을 변환하여 형성된 교류 전압을 출력하는 출력단을 갖는 인버터; 상기 인버터에서 출력되는 교류 전압을 이용하여 구동되는 모터; 상기 직류 링크 커패시터와 전류 루프를 형성할 수 있는 위치에 상호 직렬 연결된 방전저항과 스위치; 상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되는 경우, 상기 스위칭 소자의 단락/개방을 제어하여 상기 모터로 제공되는 교류 전압을 조정하여 상기 모터에 의해 상기 직류 링크 커패시터의 충전 전력을 소모시키는 제1 방전 제어부; 및 상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되고, 상기 인버터와 상기 모터가 전기적으로 개방된 경우 상기 스위치를 단락 시켜 상기 방전저항과 상기 직류 링크 커패시터 사이에 전류 루프를 형성하는 제2 방전 제어부를 포함한다.

Description

모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DISCHARGING DIRECT CURRENT LINK CAPACITOR OF INVERTER FOR DRIVING MOTOR}
본 발명은 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터를 이용한 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 불가능한 경우에도 안전 법규 관련 사양을 충족할 수 있도록 신속하게 직류 링크 커패시터를 방전 시킬 수 있는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다.
친환경 차량으로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 모터를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량들은 저장된 직류의 전기 에너지를 모터 구동을 위한 복수의 상(통상 삼상)의 교류 전기 에너지로 변환하기 위한 인버터를 구비한다. 인버터의 입력단에는 에너지 저장 장치 등으로부터 제공되는 직류 전기 에너지가 일정 전압으로 인가되게 하기 위한 고용량의 직류 링크 커패시터가 구비되며, 인버터의 출력단으로는 직류 링크 커패시터의 양단 전압을 변환한 복수 상의 교류 전압이 출력된다.
이러한 모터 구동용 인버터의 입력단에는 충전에 의해 고압의 전압을 유지하는 직류 링크 커패시터가 마련되므로 에너지 저장 장치에서 인버터 사이의 전기적 연결이 차단되는 경우에도 인버터의 입력단에는 직류 링크 커패시터의 충전에 의해 고전압 상태가 유지되므로 안전 사고가 발생할 수 있다.
예를 들어, 차량 키오프 이후 차량 정비 등을 목적으로 운전자나 정비사가 고전압 라인을 터치하는 경우 직류 링크 커패시터에 충전된 고전압으로 인해 감전 사고가 발생할 수 있다. 다른 예로, 에어백이 전개될 정도의 큰 충격의 사고가 발생한 경우 인버터와 연결된 고전압 커넥터가 분리되는 경우 직류 링크 커패시터에 충전된 고전압이 차체 또는 다른 면에 접촉되는 경우 역시 감전 등의 사고가 발생할 수 있다.
이러한 안전사고를 예방하기 위해, 차량 키오프 이후 또는 차량 사고 발생 이후 직류 링크 커패시터의 신속한 방전을 위한 법규가 각 국가마다 마련되어 있다. 이러한 국가별 법규를 충족시키기 위해서는 단순히 직류 링크 커패시터의 충전 전력을 소모 시키기 위한 방전 저항을 마련하는 것뿐만 아니라 모터의 비효율 운전을 통해 모터의 발열을 이용하여 강제로 에너지 소모가 발생하게 하는 방안이 채택되고 있다. 즉, 단순히 방전 저항을 통해 직류 링크 커패시터의 충전 에너지를 소모하는 데에는 시간적인 한계가 있으며, 이러한 한계를 극복하기 위해 모터를 이용하여 강제로 에너지를 소모 시키는 방식을 채택하고 있는 것이다.
그러나, 모터를 이용하여 강제로 에너지를 소모 시키는 방식 역시 사고에 의해 인버터와 모터 사이의 커넥터가 분리되는 경우에는 적용할 수 없게 되므로 법규에서 요구하는 방전시간 내에 직류 링크 커패시터의 전압을 원하는 수순까지 방전 시킬 수 없게 되는 문제가 발생하게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2008-0014395 A KR 10-2012-0053037 A
이에 본 발명은, 모터를 이용한 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 불가능한 경우에도 안전 법규 관련 사양을 충족할 수 있도록 신속하게 직류 링크 커패시터를 방전 시킬 수 있는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
충전에 의해 그 양단에 직류 링크 전압을 형성하는 직류 링크 커패시터;
상기 직류 링크 전압이 인가되는 입력단과, 복수의 스위칭 소자와, 상기 복수의 스위칭 소자의 단락/개방 제어에 의해 상기 직류 링크 전압을 변환하여 형성된 교류 전압을 출력하는 출력단을 갖는 인버터;
상기 인버터에서 출력되는 교류 전압을 이용하여 구동되는 모터;
상기 직류 링크 커패시터와 전류 루프를 형성할 수 있는 위치에 상호 직렬 연결된 방전저항과 스위치;
상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되는 경우, 상기 스위칭 소자의 단락/개방을 제어하여 상기 모터에 의해 상기 직류 링크 커패시터의 충전 전력을 소모 시키는 제1 방전 제어부; 및
상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되고, 상기 인버터와 상기 모터가 전기적으로 개방된 경우 상기 스위치를 단락 시켜 상기 방전저항과 상기 직류 링크 커패시터 사이에 전류 루프를 형성하는 제2 방전 제어부;
를 포함하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제1 방전 제어부는 상기 모터가 토크를 출력하지 않는 구동을 하도록 상기 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 방전 제어부 또는 상기 제2 방전 제어부는, 차량의 에어백 시스템에서 제공되는 에어백 전개 신호 및 차량의 배터리 관리 시스템에서 제공되는 릴레이 오프 신호를 기반으로 상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구 여부를 결정하며, 상기 릴레이 오프 신호는 상기 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압을 형성하기 위한 전원을 제공하는 에너지 저장 장치에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 방전 제어부 또는 상기 제2 방전 제어부는, 상기 인버터의 출력 전류의 크기가 사전 설정된 기준 전류의 크기보다 작은 경우 상기 제2 방전 제어부가 작동하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 상호 직렬 연결된 방전저항과 스위치의 일단은 상기 인버터 출력단에 연결되고 타단은 상기 커패시터에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 방전 제어부는 상기 인버터의 출력 전류의 크기가 사전 설정된 기준 전류의 크기보다 작은 경우 상기 인버터의 입력단과 상기 상호 직렬 연결된 방전저항과 스위치의 일단이 전기적으로 연결되도록 상기 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
스위칭 소자를 포함하며 스위칭 소자의 단락/개방에 의해 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 인버터의 입력단에 직류 링크 전압을 형성하도록 연결된 직류 링크 커패시터의 강제 방전 여부를 판단하는 단계;
상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되는 경우, 상기 인버터의 출력단에 연결된 모터를 구동하여 상기 직류 링크 커패시터를 방전 시킬 수 있도록 인버터 내 스위칭 소자를 제어하는 제1 방전제어 단계;
상기 인버터와 상기 모터의 연결상태를 판단하는 단계;
상기 인버터와 상기 모터가 연결되지 않은 경우, 상기 직류 링크 커패시터에 방전저항을 연결하여 상기 방전저항에 의해 상기 직류 링크 커패시터를 강제 방전 시키는 제2 방전제어 단계;
를 포함하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 강제 방전 여부를 판단하는 단계는, 차량의 에어백 시스템에서 제공되는 에어백 전개 신호 및 차량의 배터리 관리 시스템에서 제공되는 릴레이 오프 신호가 발생한 경우 강제 방전이 요구되는 것으로 판단하며, 상기 릴레이 오프 신호는 상기 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압을 형성하기 위한 전원을 제공하는 에너지 저장 장치에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 방전제어 단계는, 상기 모터가 토크를 출력하지 않는 구동을 하도록 상기 인버터 내 상기 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 연결상태를 판단하는 단계는, 상기 인버터의 출력 전류의 크기가 사전 설정된 기준 전류의 크기보다 작은 경우 상기 인버터와 상기 모터가 연결되지 않은 것으로 판단할 수 있다.
상기 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법은, 고전압의 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압을 신속하게 하강 시킬 수 있어 차량 사고 등에 고전압 노출의 위험을 현저하게 감소시킬 수 있다.
특히, 상기 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법은, 모터의 영 토크 제어를 통해 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압을 신속하게 하강 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 인버터와 모터의 커넥터가 분리되는 등과 같이 모터를 이용한 강제 방전이 불가능한 경우에도 추가의 방전저항과 직류 링크 커패시터가 전류 루프를 형성하게 함으로써 방전저항에 의해 추가적인 방전이 이루어 지게 할 수 있다. 이에 따라 상기 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법은, 법규에서 요구하는 사고 등 긴급 상황에서 요구되는 기준 시간 내 기준 레벨 이하로의 전압 레벨 감소를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템에서 제2 방전제어시 형성되는 인버터의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법에 의한 제어 동작을 시간에 따라 도시한 타이밍도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템은, 직류 링크 커패시터(C)와, 인버터(10)와, 모터(20)와, 방전저항(R2)과, 스위치(S1)와, 제1 방전 제어부(110) 및 제2 방전 제어부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
직류 링크 커패시터(C)는 배터리 등과 같은 에너지 저장 장치 또는 다른 형태의 직류 전원으로부터 제공되는 직류 전력에 의해 충전되어 인버터(10)의 입력단에 직류 링크 전압(VDC)를 형성할 수 있다.
인버터(10)는 복수의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)와, 직류 링크 전압(VDC)을 제공받는 입력단 및 복수의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)의 개방/단락에 의해 직류 링크 전압(VDC)을 변환하여 형성된 교류 전압(교류 전류)를 출력하는 출력단을 가질 수 있다. 도 1에서 인버터(10)와 직류 링크 커패시터(C)가 연결된 두 단자가 인버터(10)의 입력단이 되며, 인버터(10)와 모터(20)가 연결되는 세 단자가 인버터(10)의 출력단이 될 수 있다.
도 1에 도시된 인버터(10)는 u상, v상, w상을 포함하는 3상의 교류 전력을 출력하는 인버터의 예이다. 인버터(10)에서 복수의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)는 각 상의 전력을 생성하는 두 개의 스위칭 소자가 하나의 레그(11, 12, 13)를 형성한다. 예를 들어, u상의 교류 전력은 경우 제1 레그(11)에 포함된 스위칭 소자(Q1, Q4)에 의해 생성되며, v상의 교류 전력은 제2 레그(12)에 포함된 스위칭 소자(Q2, Q5)에 의해 생성되고, w상의 교류 전력은 제3 레그(13)에 포함된 스위칭 소자(Q3, Q6)에 의해 생성될 수 있다.
통상적으로, 인버터(10)는, 모터(20)가 출력하기 원하는 토크에 해당하는 토크 지령을 제공 받고 모터(20)로 제공되는 구동 전류와 모터(20)의 회전자 위치 등을 피드백 받아 모터(20)가 토크 지령에 대응되는 토크를 출력할 수 있도록 복수의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)를 PWM 제어하는 방식으로 제어될 수 있다. 이러한 모터 구동을 위한 인버터(10) 제어 방식은 당 기술분야의 공지의 기술에 해당하고 본 발명의 주된 기술 사상과 각별한 관련이 없으므로 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.
모터(20)는 인버터(10)에 의해 변환된 교류 전력을 제공받아 구동될 수 있다. 예를 들어, 모터(20)는 3상 교류 모터인 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) 등으로 구현될 수 있다.
방전저항(R2)과 스위치(S1)는 상호 직렬 연결되며, 직류 링크 커패시터(C)와 전류 루프 또는 직류 링크 커패시터(C)와 병렬 연결 관계를 형성할 수 있는 위치에 연결될 수 있다. 도 1의 예에서, 상호 직렬 연결된 방전저항(R2)과 스위치(S1)는 직렬 연결 구조의 일단이 인버터(10)의 출력단 중 하나인 u상 출력단자에 연결되고 타단은 직류 링크 커패시터(C)의 일단에 연결된다. 이러한 구조에서 인버터(10)의 스위칭 소자(Q1)가 단락 되면 상호 직렬 연결된 방전저항(R2)와 스위치(S1)의 일단이 직류 링크 커패시터(C)의 타단과 연결됨으로써 직류 링크 커패시터(C) -> 방전저항(R2) -> 스위치(S1) -> 직류 링크 커패시터(C)로 연결되는 전류 루프가 형성될 수 있다. 이러한 전류 루프가 형성된 후 스위치(S1)가 단락 되면 이 전류 루프를 통해 전류가 흐르게 된다. 도 1에서는 방전저항(R2)과 스위치(S1)의 직렬 연결 구조가 인버터(10)의 u상 출력단자에 연결되는 예가 도시되고 있으나, 다른 예에서 방전저항(R2)과 스위치(S1)의 직렬 연결 구조는 인버터(10)의 v상 또는 w상 출력단자에 연결될 수도 있다.
도 1은, 상호 직렬 연결된 방전저항(R2)과 스위치(S1)의 일단이 인버터(10)의 출력단 중 하나에 연결된 예를 도시하고 있으나, 다른 예로 상호 직렬 연결된 방전저항(R2)과 스위치(S1)의 일단은 인버터(10)의 출력단 중 둘 이상에 공통으로 연결될 수도 있다. 또 다른 예로, 상호 직렬 연결된 방전저항(R2)과 스위치(S1)의 일단과 타단이 직접 직류 링크 커패시터(C)이 양단에 각각 연결될 수 도 있다. 이 예는 인버터(10)의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)의 단락/개방 제어가 이루어지지 않더라도 직류 링크 커패시터(C)와 전류 루프를 형성할 수 있다.
제1 방전 제어부(110)는 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되는 경우, 모터(20)에 의해 방전이 이루어질 수 있도록 인버터(10) 내의 스위칭 소자의 단락/개방을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 방전 제어부(110)는 모터(20)의 q(Quadrature)축 전류가 0이고 d(Direct)축 전류를 최대가 되도록 하는 영(zero) 토크 제어를 수행하도록 인버터(10) 내의 스위칭 소자의 단락/개방을 제어할 수 있다. q축 전류가 0인 경우 d축 전류의 크기에 상관없이 모터에서 토크가 발생하지 않는 영 토크 제어를 이용하여 모터(20)를 구동하는 경우, 모터(20)에서는 토크가 발생하지 않고 제공받은 에너지를 열로 손실 시키게 된다. 따라서, 인버터(10)의 입력단의 직류 링크 커패시터(C)를 신속하게 방전 시킬 수 있게 된다.
이러한 제1 방전 제어부(110)에 의한 강제 방전 제어는 모터(20)를 활용한 것이므로, 충돌 사고 등에 의해 인버터(10)와 모터(20)를 연결하는 커넥터가 탈거된 경우 제1 방전 제어부(110)에 의한 강제 방전 제어가 불가능하게 된다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명은 제2 방전 제어부(120)를 구비한다.
제2 방전 제어부(120)는, 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되고 제1 방전 제어부(110)에 의한 강제 방전 제어가 불가능한 경우, 방전저항(R2)에 직렬 연결된 스위치(S1)을 개방 상태에서 단락 상태로 절환하여 직류 링크 커패시터(C) -> 방전저항(R2) -> 스위치(S1) -> 직류 링크 커패시터(C)로 이어지는 전류 루프에 전류가 흐르게 함으로써 직류 링크 커패시터(C)에 충전된 전력을 방전저항(R2)의 발열을 통해 소모되게 할 수 있다.
물론, 방전저항(R2)이 인버터(10)의 출력단에 연결된 경우에는 제1 방전 제어부(110)가 인버터(10)의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)를 제어하여 직류 링크 커패시터(C)와 방전저항(R2) 사이의 전류 경로를 형성하여야 한다. 그 예가 도 2에 도시된다.
더하여, 도 1에서, 제1 방전 제어부(110)가 에어백 시스템(30)과 배터리 관리 시스템(40)으로부터 직류 링크 커패시터(C)의 강제 방전이 요구되는지 판단하기 위한 신호를 입력 받고 이를 기반으로 제2 방전 제어부(120)의 동작 여부를 결정하는 것으로 도시하고 있으나 이는 일례일 뿐이며, 제2 방전 제어부(120)가 직접 에어백 시스템(30)과 배터리 관리 시스템(40)으로부터 신호를 입력 받는 것도 가능하다. 또한, 도 1에서, 제2 방전 제어부(120)의 동작 여부를 결정하기 위해 인버터(10) 출력 전류를 검출한 값을 제1 방전 제어부(110)가 입력 받는 것으로 도시되고 있으나 이 역시 일례일 뿐이며, 제2 방전 제어부(120)가 인버터(10) 출력 전류를 검출한 값을 입력 받아 스스로 동작 여부를 결정할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템에서 제2 방전제어시 형성되는 인버터의 등가회로를 도시한 회로도이다.
모터(20)에 의한 강제 방전이 불가능한 것으로 판단한 경우, 제1 방전 제어부(110)는 각 레그(11, 12, 13)의 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)를 단락 시키고 각 레그(11, 12, 13)의 하부 스위칭 소자(Q2, Q6, Q4)를 개방 시킬 수 있다. 더하여 제2 방전 제어부(120)는 스위치(S1)를 단락 시켜 도 2와 같은 전기적 연결관계가 형성된 전류 루프를 완성할 수 있다. 참고로, 도 2는 방전저항(R2)이 인버터(10)의 출력단을 구성하는 복수의 출력단자 각각에 공통으로 연결된 회로 구조를 도시한다.
한편, 강제 방전 제어가 요구됨을 판단하는 것은 차량 내 에어백 시스템(30)에서 제공되는 에어백 전개 신호 또는 차량 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)(40)에서 제공되는 메인 릴레이 차단 신호 등이 될 수 있다.
예를 들어, 에어백 시스템(30)에서 에어백이 전개되는 상황은 차량에 일정 이상의 충격이 가해진 상황이므로 고전압으로 충전된 직류 링크 커패시터(C)을 최대한 신속하게 강제 방전 시킴으로써 차량 사고 등에 의해 고전압 상태가 외부로 노출되는 것을 차단할 수 있다.
또한, BMS(40) 역시 차량이 키오프 되거나 차량에 일정 이상의 충격이 가해지는 경우 차량의 구동 전원이 되는 고전압 배터리에 연결된 메인 릴레이를 차단하도록 동작한다. 고전압 배터리는 전술한 인버터의 입력단에 형성되는 직류 링크 전압을 형성하는 전원이 된다. 이러한 BMS(40)에서 메인 릴레이 차단 신호가 발생하는 경우 신속한 강제 방전이 수행되게 함으로써 고전압 노출 상황을 미연에 예방할 수 있다.
더하여, 모터(20)에 의한 강제 방전이 불가능한 것을 판단하기 위해서 인버터(10)와 모터(20)를 연결하는 라인의 전류, 즉 인버터(10) 출력 전류의 크기를 검출할 수 있다. 인버터(10)와 모터(20)를 연결하는 커넥터가 충격 등에 의해 탈거된 경우에는 인버터(10)의 출력 전류가 거의 0에 가까운 크기를 갖는다. 도시하지는 않았지만, 인버터(10)의 출력단에는 모터(20)를 제어하기 위해 전류 센서가 이미 설치되어 있으므로 이 전류 센서에서 검출된 인버터 출력 전류가 사전 설정된 크기 미만으로 감소하면 인버터(10)와 모터(20) 사이의 연결이 단절된 것으로 판단하고 모터(20)를 이용한 강제 방전 대신 제2 방전 제어부(120)를 활용하여 방전저항(R2)가 직류 링크 커패시터(C)의 충전 전력을 소모하도록 스위치(S2)를 단락 시킬 수 있다.
도 1에서 'R1'은 통상적으로 설치될 수 있는 방전저항으로 정상적인 차량의 키오프 시 또는 차량 커넥터 탈거 시 강제 방전을 위한 제1 방전 제어부(110) 또는 제2 방전 제어부(120)가 작동하지 않는 상태에서 직류 링크 커패시터(C)의 방전을 위해 마련된 것이다. 방전저항(R1)은 차량 안전 법규에서 마련된 정상 키오프 시의 방전 기준 시간을 충족시키도록 그 저항값이 정해질 수 있다.
본 발명은 도 1에 도시된 것과 같은 시스템을 이용한 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법도 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법을 도시한 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템 및 방법에 의한 제어 동작을 시간에 따라 도시한 타이밍도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법은, 강제 방전 개시 여부를 판단하는 단계로부터 시작될 수 있다. 이 강제 방전 개시 여부를 판단하는 단계는 차량의 에어백 시스템(30)에서 에어백 전개 신호가 발생 하였는 지의 여부를 판단하는 단계(S11)와 차량의 배터리 관리 시스템(BMS)에 의해 인버터(10)의 입력단으로 전원을 제공하는 전력 공급 장치(배터리)의 출력단에 연결된 릴레이(메인 릴레이)의 오프 여부를 확인하는 단계(S12)를 포함할 수 있다. 이 단계(S11, S12)들에 적용된 신호의 예가 도 4의 참조부호 '51', '52'로 도시된다.
즉, 도 4에 도시된 것과 같이'Ta' 시점에 에어백 시스템(30)에 의해 에어백 전개 신호가 발생하고 이어 BMS(40)에 의해 메인 릴레이 오프 신호(52)가 발생하면, 제1 방전 제어부(110)는 강제 방전이 요구되는 상황인 것으로 판단하고 모터(20)를 이용하는 제1 방전 제어를 수행할 수 있다(S13). 제1 방전 제어를 수행하는 단계(S13)가 개시됨이 도 4에 참조부호 '53'으로 도시된다. 전술한 것과 같이 단계(S13)은 모터(20)를 영 토크 제어할 수 있도록 인버터(10)의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)를 제어하는 방식으로 수행될 수 있다.
단계(S13)과 동시에 제1 방전 제어부(110)는 인버터 출력 전류의 크기(Iu, Iv, Iw)를 사전 설정된 기준 전류(Ith)와 비교하는 단계(S14)를 수행할 수 있다. 이 단계(S14)는 도 4에서 참조부호 '54'로 도시된다. 도 4에서 인버터 출력 전류 감지 신호가 HIGH 상태를 나타내는 것은 인버터 출력 전류의 크기(Iu, Iv, Iw)가 사전 설정된 기준 전류(Ith)보다 큰 경우, 즉 인버터(10)와 모터(20) 사이의 커넥터가 정상적으로 체결된 상태임을 나타낸다.
단계(S14)의 비교 결과 인버터 출력 전류의 크기(Iu, Iv, Iw)가 사전 설정된 기준 전류(Ith)보다 큰 경우에는 스위치(S1)의 상태를 도 4의 참조부호 '55'와 같이 개방 상태로 유지할 수 있다(S16).
이러한 제어 과정을 통해 직류 링크 커패시터(C)의 전압은 제1 방전 제어를 개시하는 즉시 법규에서 원하는 전압 레벨(도 4에서는 예를 들어 60V로 설정함) 이하로 감소한다. 이를 통해 법규에서 요구하는 기준 시간(Tref)에 이르기 전에 요구 전압 레벨 이하로 감소시킬 수 있게 된다. 이러한 전압 레벨 감소의 특징이 도 4에서 참조부호 '56'으로 도시된다.
한편, 단계(S14)의 비교 결과 인버터 출력 전류의 크기(Iu, Iv, Iw)가 사전 설정된 기준 전류(Ith)보다 작거나 같은 경우에는 도 4의 참조부호 '57'과 같이 인버터 출력 전류 감지 신호가 LOW 상태를 유지하게 되며 이 경우 제1 방전 제어부(110)는 제2 방전 제어부(120)의 동작을 개시하게 할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태는, 인버터 출력 전류의 크기(Iu, Iv, Iw)가 사전 설정된 기준 전류(Ith)보다 작거나 같은 경우 차량의 충격 등에 의해 인버터(10)와 모터(20) 사이의 커넥터가 분리된 것으로 판단하고 모터(20)를 이용한 강제 방전을 대체할 수 있는 다른 방전 수단을 사용하게 할 수 있다.
만약, 제2 방전 제어부(120)가 구비되지 않는 경우라면, 모터(20)를 이용한 강제 방전이 이루어지지 못하고 직류 링크 커패시터(C)에 병렬 연결된 통상의 방전저항(R1)의 발열 만으로 직류 링크 커패시터(C)의 충전 전력을 소모하여야 한다. 이 경우가 도 4의 참조부호 '58'로 나타난다. 전술한 바와 같이, 방전저항(R1)은 강제 방전이 요구되는 긴급 상황이 아니라 정상적인 키오프나 정비가 이루어지는 상황에 맞게 비교적 느린 방전이 이루어지도록 그 저항값이 설계가 된 저항이므로, 직류 링크 커패시터(C)의 전압은 법규에서 요구하는 긴급 상황에서의 기준 시간(Tref) 내에 요구하는 전압 레벨(예를 들어, 60V) 이하로 감소되지 못하게 된다.
본 발명의 일 실시형태는 인버터(10)와 모터(20) 사이의 커넥터가 분리된 것으로 판단된 경우 제2 방전 제어부(120)를 가동시켜 추가의 방전저항(R2)과 직류 링크 커패시터(C) 사이에 전류 루프를 형성하게 함으로써 추가로 직류 링크 커패시터(C)에 충전 전력을 소모하게 할 수 있다. 즉, 제2 방전 제어부(120)는 방전저항(R2)에 연결된 스위치(S1)를 단락 시키고, 필요에 따라 제1 방전 제어부(110)는 인버터(10) 내 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)의 단락/개방 상태를 제어하여 방전저항(R2)과 직류 링크 커패시터(C) 사이에 전류 루프를 형성시킴으로써 방전저항(R2)의 발열에 의한 직류 링크 커패시터(C)의 방전이 이루어지게 할 수 있다(S15).
이는 도 4에서 참조부호 '59' 및 '60'으로 지시된다. 제1 방전 제어부(110)에 의해 방전 제어가 개시됨(53)과 동시에 인버터 출력 전류의 크기(Iu, Iv, Iw)가 사전 설정된 기준 전류(Ith)보다 같거나 작을 때(57), 제2 방전 제어부(120)에 의한 스위치(S1)의 단락 제어가 이루어지게 하여(59) 법규에서 요구되는 기준시간(Tref)가 경과하기 전에 요구하는 전압 레벨 이하로 직류 링크 커패시터(C)의 전압을 하강 시키게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 고전압의 직류 링크 커패시터(C)의 직류 링크 전압을 신속하게 하강 시킬 수 있어 차량 사고 등에 고전압 노출의 위험을 현저하게 감소시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태는 모터(20)의 영 토크 제어를 통해 직류 링크 커패시터(C)의 직류 링크 전압을 신속하게 하강 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 인버터(10)와 모터(20)의 커넥터가 분리되는 등과 같이 모터(20)를 이용한 강제 방전이 불가능한 경우에도 추가의 방전저항(R2)과 직류 링크 커패시터(C)가 전류 루프를 형성하게 함으로써 방전저항(R2)에 의해 추가적인 방전이 이루어 지게 할 수 있다. 이에 따라 법규에서 요구하는 사고 등 긴급 상황에서 요구되는 기준 시간 내 기준 레벨 이하로의 전압 레벨 감소가 가능하게 된다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 인버터 11, 12, 13: 레그
20: 모터 30: 에어백 시스템
40: 배터리 관리 시스템 110: 제1 방전 제어부
120: 제2 방전 제어부 C: 직류 링크 커패시터
Q1-Q6: 스위칭 소자 R1, R2: 방전저항
S1: 스위치 VDC: 직류 링크 전압

Claims (10)

  1. 충전에 의해 그 양단에 직류 링크 전압을 형성하는 직류 링크 커패시터;
    상기 직류 링크 전압이 인가되는 입력단과, 복수의 스위칭 소자와, 상기 복수의 스위칭 소자의 단락/개방 제어에 의해 상기 직류 링크 전압을 변환하여 형성된 교류 전압을 출력하는 출력단을 갖는 인버터;
    상기 인버터에서 출력되는 교류 전압을 이용하여 구동되는 모터;
    상기 직류 링크 커패시터와 전류 루프를 형성할 수 있는 위치에 상호 직렬 연결된 방전저항과 스위치;
    상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되는 경우, 상기 스위칭 소자의 단락/개방을 제어하여 상기 모터에 의해 상기 직류 링크 커패시터의 충전 전력을 소모시키는 제1 방전 제어부; 및
    상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되고, 상기 인버터와 상기 모터가 전기적으로 개방된 경우 상기 스위치를 단락 시켜 상기 방전저항과 상기 직류 링크 커패시터 사이에 전류 루프를 형성하는 제2 방전 제어부;
    를 포함하되,
    상기 상호 직렬 연결된 방전저항과 스위치의 일단은 상기 인버터의 출력단과 연결되고, 타단은 상기 커패시터에 연결된 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 방전 제어부는 상기 모터가 토크를 출력하지 않는 구동을 하도록 상기 스위칭 소자들을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방전 제어부 또는 상기 제2 방전 제어부는, 차량의 에어백 시스템에서 제공되는 에어백 전개 신호 및 차량의 배터리 관리 시스템에서 제공되는 릴레이 오프 신호를 기반으로 상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구 여부를 결정하며, 상기 릴레이 오프 신호는 상기 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압을 형성하기 위한 전원을 제공하는 에너지 저장 장치에 마련되는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방전 제어부 또는 상기 제2 방전 제어부는, 상기 인버터의 출력 전류의 크기가 사전 설정된 기준 전류의 크기보다 작은 경우 상기 제2 방전 제어부가 작동하도록 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방전 제어부는 상기 인버터의 출력 전류의 크기가 사전 설정된 기준 전류의 크기보다 작은 경우 상기 인버터의 입력단과 상기 상호 직렬 연결된 방전저항과 스위치의 일단이 전기적으로 연결되도록 상기 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 시스템.
  7. 스위칭 소자를 포함하며 스위칭 소자의 단락/개방에 의해 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 인버터의 입력단에 직류 링크 전압을 형성하도록 연결된 직류 링크 커패시터의 강제 방전 여부를 판단하는 단계;
    상기 직류 링크 커패시터의 강제 방전이 요구되는 경우, 상기 인버터의 출력단에 연결된 모터를 구동하여 상기 직류 링크 커패시터를 방전 시킬 수 있도록 인버터 내 스위칭 소자를 제어하는 제1 방전제어 단계;
    상기 인버터와 상기 모터의 연결상태를 판단하는 단계; 및
    상기 인버터와 상기 모터가 연결되지 않은 경우, 상기 직류 링크 커패시터에 일단이 상기 인버터의 출력단에 연결되고, 타단이 상기 직류 링크 커패시터에 연결된 방전저항을 연결하여 상기 방전저항에 의해 상기 직류 링크 커패시터를 강제 방전 시키는 제2 방전제어 단계;
    를 포함하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    강제 방전 여부를 판단하는 단계는, 차량의 에어백 시스템에서 제공되는 에어백 전개 신호 및 차량의 배터리 관리 시스템에서 제공되는 릴레이 오프 신호가 발생한 경우 강제 방전이 요구되는 것으로 판단하며, 상기 릴레이 오프 신호는 상기 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압을 형성하기 위한 전원을 제공하는 에너지 저장 장치에 마련되는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 방전제어 단계는, 상기 모터가 토크를 출력하지 않는 구동을 하도록 상기 인버터 내 상기 스위칭 소자들을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 연결상태를 판단하는 단계는, 상기 인버터의 출력 전류의 크기가 사전 설정된 기준 전류의 크기보다 작은 경우 상기 인버터와 상기 모터가 연결되지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 인버터의 직류 링크 커패시터 방전 방법.
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