KR20090039324A - 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를이용한 방열팬 구동 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를이용한 방열팬 구동 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를 이용한 방열팬 구동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터 및 MCU의 방열을 위하여 구동하는 방열팬의 구동 조건을 PWM 온 및 인버터의 온도 상승 조건에 따라 달리 설정하고, 인버터의 온도 상승에 따라 방열팬의 속도를 가변속으로 제어함으로써, 구동시 발생되는 노이즈 저감 및 그 사용에너지를 저감시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를 이용한 방열팬 구동 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 ⅰ) HCU로부터 MCU로 토크 제어 지령이 있거나, 또는 토크 지령없이 모터속도가 4000RPM 이상일 때 이루어지는 PWM 온(ON) 시, 및 ⅱ) MCU 및 인버터의 측정온도가 기준온도 이상으로 상승시, 상기 방열팬을 온(ON)시키고; 상기 방열팬과, 방열팬용 전원부 사이에 직렬로 연결된 부특성 서미스터에 의하여 상기 MCU 및 인버터의 온도가 기준온도 이상으로 상승시, 방열팬의 속도를 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를 이용한 방열팬 구동 제어 방법을 제공한다.
하이브리드, 인버터, MCU, 방열팬, 구동 제어, PWM, 온도, NTC

Description

하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를 이용한 방열팬 구동 제어 방법{Driving circuit for inverter fan of HEV and Method for contolling inverter fan}
본 발명은 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를 이용한 방열팬 구동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터 및 MCU의 방열을 위하여 구동하는 방열팬의 구동 조건을 PWM 온 및 인버터의 온도 상승 조건에 따라 달리 설정하고, 인버터의 온도 상승에 따라 방열팬의 속도를 가변속으로 제어함으로써, 구동시 발생되는 노이즈 저감 및 그 사용에너지를 저감시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를 이용한 방열팬 구동 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량의 시스템 구성은 첨부한 도 5의 구성도에서 보는 바와 같이, 차량 주행용 구동원으로서 엔진(50) 및 모터(60)를 구비하고 있고, 이들의 동작을 위한 인버터(10), DC/DC컨버터(20), 고전압배터리(30) 등을 포함하며, 제어수 단으로서 HCU(40: Hybrid Control Unit), MCU(Motor Control Unit), BMS(Battery Management System) 등을 포함하고 있다.
상기 MCU는 상위 제어기인 HCU(40)의 제어에 따라 모터 구동을 제어하기 위하여 PWM 신호를 인버터(10)에 공급하여, 인버터(10)내 IGBT 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 차량의 거동을 제어한다.
또한, 상기 MCU는 상위 제어기인 HCU(40)의 명령에 따라 인버터(10)에 PWM 신호를 출력하고, 제어모드가 결정된 액티브 상태에서 상위 제어기인 HCU(40)로부터 설정된 일정시간 동안 토크 지령이 입력되지 않으면 인버터(10)에 인가하는 PWM 신호를 오프시켜 인버터(10)내의 IGBT 소자가 불필요한 스위칭 동작이 발생되지 않도록 함으로써, 내구성 향상과 전류 손실이 발생되지 않도록 한다.
또한, 상기 PWM 신호의 오프 상태에서 해제 조건이 만족되면 액티브 상태로 복귀하여 정상적인 PWM 신호가 출력되어 인버터(10)내 IGBT 소자의 정상적인 스위칭이 이루어지도록 한다.
이와 같이, 하이브리드 차량의 모터 제어기로서, MCU와 인버터는 하나의 장소에 집약 설치되는 바, MCU의 각종 소자들의 동작, 인버터의 스위칭 소자 동작 등으로 인하여 파워 로스(power loss)가 발생하고, 이 파워 로스는 열로 변환되어 발산되기 마련이며, 이때의 열이 급격하게 상승하게 되면 MCU 및 인버터를 구성하는 소자들의 손상으로 인하여 전체 시스템의 손상이 발생되는 위험이 있다.
따라서, MCU 및 인버터의 동작시 발생되는 열을 방열시키는 냉각시스템이 필수적으로 설치되어야 한다.
종래의 냉각 시스템은 방열팬 구동방식으로서, 주제어기(HCU)의 온(ON) 신호에 동기되어, 전체 하이브리드 시스템의 온(ON)시 MCU 및 인버터용 방열팬이 상시 온(ON)되어, MCU 및 인버터에서 발생되는 열을 외부로 방열시키는 시스템으로 되어 있다.
보다 상세하게는, 상기 MCU 및 인버터용 방열팬의 풍속제어는 3단 저항에 의한 3단 풍속제어 또는 별도의 PWM 장치에 의한 팬 속도 연속 제어가 이루어져, MCU 및 인버터에서 발생되는 열을 외부로 방출시키게 된다.
그러나, MCU 및 인버터의 방열을 위한 종래의 냉각팬 구동 방식은 다음과 같은 문제점이 있었다.
차량의 아이들(IDLE)시, MCU 및 인버터용 방열팬의 소음은 엔진소음 및 배터리 팬 소음보다 더 높은 레벨의 소음을 발생시켜, 엔진소음과 섞이면서 실내로 유입되는 문제점이 있고, 또한 MCU 및 인버터용 방열팬은 상시 구동되기 때문에 불필요한 팬 구동으로 인한 파워 로스(power loss) 즉, 배터리 방전으로 인한 차량 연비 저하를 초래할 수 있다.
또한, 종래의 MCU 및 인버터에 대한 냉각 시스템은 가변속 제어시 방열팬의 회로 추가로 인해 복잡하고, 그에따라 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, MCU 및 인버터 방열을 위한 방열팬의 구동(ON)을 PWM 온(ON)시, MCU 및 인버터의 온도 상승시에 따라 효율적으로 제어하여, 저온/경부하시 팬 구동으로 인한 노이즈 감소를 가능하게 하고, 팬의 빈번한 온/오프를 방지하며, NTC를 이용하여 팬의 속도를 가변 제어하여 냉각 용량을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로 및 이를 이용한 방열팬 구동 제어 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일구현예는: 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로에 있어서, 상기 방열팬과, 방열팬용 전원부 사이에 부특성 서미스터(NTC: Negative Temperature Coefficient)를 직렬로 연결하는 동시에 상기 부특성 서미스터를 MCU 및 인버터의 온도측정부에 삽입하여서 된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동 제어 방법에 있어서, ⅰ) HCU로부터 MCU로 토크 제어 지령이 있거나, 또는 토크 지령없이 모터속도가 4000RPM 이상일 때 이루어지는 PWM 온(ON) 시, 및 ⅱ) MCU 및 인버터의 측정온도가 기준온도 이상으로 상승시, 상기 방열팬을 온(ON)시키고; 상기 방열팬과, 방열팬용 전원부 사이에 직렬로 연결된 부특성 서미스터에 의하여 상기 MCU 및 인버터의 온도가 기준온도 이상으로 상승시, 방열팬의 속도를 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동 제어 방법을 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 PWM 온 시, 2초 간 방열팬의 온을 지연시켜 빈번한 온/오프를 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 방열팬의 온/오프를 위한 온도 히스테리시스를 설정하여, MCU 및 인버터의 온도 변화에 의한 빈번한 온/오프를 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
하이브리드 차량의 인버터 및 MCU의 방열을 위하여 구동하는 방열팬의 구동 조건을 PWM 온 및 인버터의 온도 상승 조건에 따라 달리 설정하고, 부특성 서미스터를 이용하여 인버터의 온도 상승에 따른 방열팬의 속도를 가변속으로 제어함으로써, MCU 및 인버터에 대한 냉각효율을 향상시킴과 더불어 방열팬 구동시 발생되는 노이즈를 저감시킬 수 있고, 방열팬의 사용에너지를 저감시킬 수 있으며, 팬의 구동 에너지 절감으로 궁극적으로는 연비 향상을 도모할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 하이브리드 차량의 시스템 구성은 첨부한 도 5의 구성도 에서 보는 바와 같이, 차량 주행용 구동원으로서 엔진(50) 및 모터(60)를 구비하고 있고, 이들의 동작을 위한 인버터(10), DC/DC컨버터(20), 고전압배터리(30) 등을 포함하며, 제어수단으로서 HCU(40: Hybrid Control Unit), MCU(Motor Control Unit), BMS(Battery Management System) 등을 포함하고 있다.
하이브리드 차량의 모터 제어기로서, 인버터와 MCU(10)는 각종 소자들의 동작, 인버터의 스위칭 소자 동작 등으로 인하여 파워 로스(power loss)가 발생하고, 이때의 발생 열로 인해 인버터 및 MCU를 구성하는 소자들이 손상될 수 있으므로, 인버터 및 MCU의 동작시 발생되는 열을 방열시키는 냉각시스템이 필수적으로 설치되어야 한다.
이에, 본 발명은 기존의 냉각 방식에 비하여 방열팬을 보다 효율적으로 구동시켜, MCU 및 인버터에 대한 냉각효율 향상, 방열팬 구동시 발생되는 노이즈 저감, 방열팬의 사용에너지 저감 등의 효과를 얻고자 한 점에 주안점이 있다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로를 나타내는 개략도이고, 도 2는 방열팬에 대한 구동 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로는 부특성 서미스터(NTC: Negative Temperature Coefficient)를 이용한 점에 특징이 있는 바, 상기 방열팬(80)과, 방열팬용 전원부(90) 사이에 부특성 서미스터(70)를 직렬로 연결하는 동시에 이 부특성 서미스터(70)를 인버터 및 MCU(10)의 온도측정부 즉, 인버터 및 MCU로부터 발생되는 열을 감지할 수 있는 부 분에 삽입 장착시킨다.
이때, 상기 부특성 서미스터(70: NTC)는 그 감지되는 대상의 온도가 상승하면 그에 따라 저항값이 감소하는 서미스터를 말한다.
여기서, 본 발명의 제어로직으로서, 인버터 및 MCU 냉각을 위한 방열팬의 구동 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
기존의 방열팬은 하이브리드 시스템 온시 상시 온(ON)되는 반면, 본 발명의 방열팬 구동(ON)은 PWM 온(ON) 조건과, 인버터 및 MCU의 온도 조건에 따라 이루어진다.
주지된 바와 같이, 하이브리드 차량의 주제어기인 HCU로부터 토크 지령이 입력되지 않는 상태에서도 상기 MCU(Motor Control Unit)은 항상 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력하고 있어, 배터리의 DC 전압을 상 전환시키는 인버터 내의 IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor)소자 역시 PWM 신호에 의해 스위칭 동작이 유지된다.
이에, 본 발명은 MCU에서 PWM 신호를 출력하는 PWM 온 조건에서 방열팬을 구동시키게 되는데, HCU로부터 MCU로 토크 제어 지령이 있거나, 또는 토크 지령없이 모터속도가 4000RPM 이상일 때 이루어지는 PWM 온(ON)의 경우에만 방열팬을 구동(ON)시키도록 하며, 특히 PWM 온 시, 2초 간 방열팬의 온을 지연시켜 단발성 부하(예를 들어, 스타팅시 짧은 시간 동안의 모터 구동시)에 의한 빈번한 온/오프를 방지할 수 있도록 한다.
이때, 모터속도 4000RPM으로 한정한 이유는 모터의 고속 운전을 위해서는 모 터 단자전압이 항상 모터 역기전력보다 큰 값을 가져야하나, 속도가 증가할수록 모터의 역기전력이 커지게 되어, 일정속도 이상에서는 더 이상 속도 증가가 불가능한 점을 감안하여, 계자를 줄여 역기전력을 작게 해주는 약계자 제어를 실행하는데, 예를 들어 4000RPM의 조건을 기준으로 약계자 제어를 진입하는 점을 감안한 것이다.
다시 말해서, 상기 PWM 제어 조건은 HCU에서 정상적인 토크 명령이 입력되고, 제어 대상의 모터 시스템 속도가 설정된 기준 속도, 바람직하게는 4,000RPM 이상으로 검출되면 MCU는 정상적인 PWM 신호를 인버터에 출력하면서, 동작중 열이 발생될 수 있기 때문이다.
여기서, 상기 PWM 온 조건과 더불어 상기 MCU 및 인버터의 측정온도가 기준온도 이상으로 상승시, 상기 방열팬을 온(ON)시키게 된다.
즉, 상기 MCU 및 인버터내에 포함된 온도감지수단으로부터 읽어들인 온도데이터를 기준값과 비교하여, 기준값 이상이면 주제어기인 HCU 또는 MCU에서 방열팬에 전원을 인가하는 신호를 보내 방열팬이 구동(ON)된다.
이때, MCU 및 인버터의 온도가 기준 온도 이상에서 방열팬을 온시키고, 방열팬 오프시까지 온도 히스테리시스를 두어, 방열팬의 온/오프 채터링을 방지하도록 한다.
다시 말해서, 첨부한 도 3의 그래프에서 보는 바와 같이 상기 방열팬의 온/오프를 위한 온도 히스테리시스를 설정하여, MCU 및 인버터의 온도 변화에 의한 빈번한 온/오프를 방지할 수 있도록 한다.
여기서, 상기 부특성 서미스터의 동작에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 부특성 서미스터(70)는 방열팬(80)과, 방열팬용 전원부(90) 사이에 직렬로 연결되는 동시에 인버터 및 MCU(10)의 온도측정부에 장착되는 바, 상기 인버터 및 MCU의 온도가 기준온도 이상으로 상승시, 방열팬의 속도를 증가시키는 역할을 하게 된다.
즉, 상기 인버터 및 MCU(10)의 온도가 기준온도 이상으로 상승하여 방열팬(80)이 구동(ON)될 때, 이때 방열팬(80)의 속도는 상기 부특성 서미스터(70)에 의하여 가변(증가)된다.
다시 말해서, 상기 부특성 서미스터(70)가 인버터 및 MCU(10)의 온도측정부로부터 온도를 감지하여 그 감지 온도가 상승하면, 도 4에 그래프와 같이 부특성 서미스터(70)의 저항이 감소되는 동시에 방열팬에 걸리는 전압이 증가하여 방열팬(80)의 속도가 증가하게 되어, 결국 인버터 및 MCU에 대한 냉각 효과를 보다 효율적으로 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬에 대한 구동 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬의 구동온도 조건을 설명하는 그래프,
도 4는 본 발명에 적용된 부특성 서미스터의 동작을 설명하는 그래프,
도 5는 통상의 하이브리드 차량의 시스템 구성을 설명하는 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 인버터(HCU)
40 : HCU
70 : 부특성 서미스터
80 : 방열팬
90 : 전원부

Claims (4)

  1. 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로에 있어서,
    상기 방열팬과, 방열팬용 전원부 사이에 부특성 서미스터(NTC)를 직렬로 연결하는 동시에 상기 부특성 서미스터를 MCU 및 인버터의 온도측정부에 삽입하여서 된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동회로.
  2. 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동 제어 방법에 있어서,
    ⅰ) HCU로부터 MCU로 토크 제어 지령이 있거나, 또는 토크 지령없이 모터속도가 4000RPM 이상일 때 이루어지는 PWM 온(ON) 시, 및 ⅱ) MCU 및 인버터의 측정온도가 기준온도 이상으로 상승시, 상기 방열팬을 온(ON)시키고;
    상기 방열팬과, 방열팬용 전원부 사이에 직렬로 연결된 부특성 서미스터에 의하여 상기 MCU 및 인버터의 온도가 기준온도 이상으로 상승시, 방열팬의 속도를 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 PWM 온 시, 2초 간 방열팬의 온을 지연시켜 빈번한 온/오프를 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동 제어 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 방열팬의 온/오프를 위한 온도 히스테리시스를 설정하여, MCU 및 인버터의 온도 변화에 의한 빈번한 온/오프를 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 인버터용 방열팬 구동 제어 방법.
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