KR20090062339A - 전기자동차의 디씨-디씨 컨버터 고장 진단 방법 - Google Patents

전기자동차의 디씨-디씨 컨버터 고장 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 디씨(DC)-디씨(DC) 컨버터 고장 진단 방법에 관한 것으로서, 하이브리드 차량 및 연료전지 차량과 같은 전기 차량에서 12V 전장부하를 공급하고 보조배터리를 충전하는 역할을 하는 저전압 디씨-디씨 컨버터(LDC)의 하드웨어 고장을 진단하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디씨-디씨 컨버터의 고장 진단 방법은, 전기자동차에서 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)의 고장을 진단하기 위한 방법에 있어서, 상기 저전압 DC-DC 컨버터가 외부 제어기로부터 수신되는 전압 지령에 따라 전압을 출력하는 동시에 실제 출력전압을 모니터링하고, 상기 전압 지령과 실제 출력전압을 상호 비교하여 컨버터의 하드웨어 고장 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
전기자동차, 하이브리드, 연료전지, DC-DC 컨버터, LDC, 보조배터리

Description

전기자동차의 디씨-디씨 컨버터 고장 진단 방법{Diagnostic method for DC-DC converter of electric vehicle}
본 발명은 전기자동차의 디씨(DC)-디씨(DC) 컨버터 고장 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량 및 연료전지 차량과 같은 전기 차량에서 12V 전장부하를 공급하고 보조배터리를 충전하는 역할을 하는 저전압 디씨-디씨 컨버터(LDC)의 하드웨어 고장을 진단하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석연료)의 연소에 의해 회전력을 얻는 엔진(내연기관)과 배터리의 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
이러한 하이브리드 차량에는 전기모터(구동모터)의 구동전력을 제공하는 메인배터리(고전압 배터리)와 함께 차량 전장품의 구동전력을 제공하는 보조배터리(저전압 배터리)가 탑재되고, 상기 보조배터리에는 고전압과 저전압 사이의 출력변환을 위한 저전압 디씨(DC)-디씨(DC) 컨버터(Low Voltage DCDC Converter, LDC, LV DCDC, 이하 LDC라 약칭함)가 연결된다.
주지된 바와 같이, 하이브리드 차량 및 연료전지 차량의 LDC는 기존 일반 차량의 알터네이터 역할을 하는 장치로, 주 기능은 12V 전장부하를 공급하고, 고전압 배터리로부터 나오는 고전압 직류전압을 저전압 직류전압으로 변환하여 보조배터리를 충전하는 역할을 한다.
따라서, 보조배터리 충전장치인 LDC에 고장이 발생할 경우, 즉 보조배터리의 충전이 안 될 경우, 보조배터리 방전 후 차량 운행이 불가해지게 된다.
또한 하이브리드 및 연료전지 차량 운행 중 LDC 내부 하드웨어 고장이 발생할 경우, 보조배터리의 충전이 불가해지면서, 보조배터리에서만 전장부하를 공급하게 되고, 보조배터리는 수 분내 방전을 유발하게 된다.
운행 중에 LDC의 고장과 더불어 보조배터리의 방전이 발생하는 경우에 운전자 안전상 위험한 경우가 발생하는 바, 이에 LDC의 고장 진단을 수행하고 고장 상황 발생을 즉시 인지할 수 있는 방안이 필요하다.
현재 하이브리드 및 연료전지 차량의 LDC 고장 진단 기능은 없으며, 일반 알터네이터 부착 차량에서 알터네이터 고장 진단 및 판별은 엔진 런닝(running) 후 교류 발전기의 출력전압 모니터링을 통해 수행하고 있다.
이러한 알터네이터 고장 진단 방법으로는 출력전압이 100%일 경우 배터리 단락 상태로 진단하고, 0%일 경우 배터리 단락 혹은 단선 상태로 진단하며, 0%가 아닐 경우 정상 상태로 진단하는 단계로 나뉘어져 있다.
그러나, 하이브리드 차량에서 LDC는 출력부하량에 따라 출력전압이 보상되며, 차량 운행상태에 따라 출력전압이 가변되므로, 단순히 LDC의 출력전압이 100%, 0%의 두 가지 상태로만 판단하는 종래기술을 적용하는 데는 한계가 있다.
특히, LDC의 동작상황에 대한 진단에 제한이 있으며, 배터리 SOC(State Of Charge) 상태를 고려하지 않음으로써 동작상태 고장에 대한 정확한 진단이 불가능하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 하이브리드 차량 및 연료전지 차량과 같은 전기 차량에서 12V 전장부하를 공급하고 보조배터리를 충전하는 역할을 하는 저전압 디씨-디씨 컨버터(LDC)의 하드웨어 고장을 진단하기 위한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전기자동차에서 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)의 고장을 진단하기 위한 방법에 있어서, 상기 저전압 DC-DC 컨버터가 외부 제어기로부터 수신되는 전압 지령에 따라 전압을 출력하는 동시에 실제 출력전압을 모니터링하고, 상기 전압 지령과 실제 출력전압을 상호 비교하여 컨버터의 하드웨어 고장 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 DC-DC 컨버터 고장 진단 방법을 제공한다.
여기서, 상기 전압 지령과 실제 출력전압의 차이가 기준전압을 초과하고 기준전압을 초과하는 상태가 일정시간 이상 지속되는 경우 고장 상태로 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 저전압 DC-DC 컨버터가 고장 상태를 진단하게 되면 고장진단 코드를 생성하는 동시에 경고등을 점등하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 저전압 DC-DC 컨버터(LDC) 고장 진단 방법에 의하면, DC-DC 컨버터로 인가되는 전압 지령과 DC-DC 컨버터의 실제 출력전압을 비교하여 그 차이가 기준전압을 초과하고 그 상태가 일정시간 이상 지속되는 경우 DC-DC 컨버터의 하드웨어 고장으로 최종 진단하도록 구성됨으로써, DC-DC 컨버터(LDC)의 신속한 고장 진단을 통해 하이브리드/연료전지 차량에서 DC-DC 컨버터 및 보조배터리의 내구수명을 연장할 수 있게 되며, A/S 비용 절감을 기대할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 고장진단시 운전자로 하여금 신속한 대응이 가능하도록 하여 보조배터리의 전력을 제공받는 차량 전장부품(12V 전장부하)의 오동작(헤드라이트 디밍, 냉각팬 효율 저하 등)을 미연 방지할 수 있게 된다.
또한 추가적인 비용 발생 없이 DC-DC 컨버터의 내구수명 및 신뢰성 증대, 보조배터리의 수명 연장이 가능해지므로 하이브리드 차량 및 연료전지 차량의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 DC-DC 컨버터의 하드웨어 고장시 차량 전장부하의 이상 동작이나 12V 전원 공급불량에 의한 제어기 이상 동작, 운행 중 시동 정지를 사전에 알려줄 수 있으므로 승객 위험을 사전에 방지할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 하이브리드 차량, 연료전지 차량과 같은 전기 차량에서 12V 저전압 전장부하를 공급하고 보조배터리를 충전하는 역할을 하는 저전압 디씨(DC)-디씨(DC) 컨버터(이하, LDC라 칭함)의 하드웨어 고장을 진단 및 판별하기 위한 고장 진단 방법에 관한 것이다.
종래에는 LDC DTC(Diagnostic Code, 고장진단 코드) 부재, 즉 LDC DTC 관련 진단 정보가 없는 상태이고, 단순히 LDC 고장 및 기능 불능시에 LDC 경고(LDC Warning)의 단일 메시지로만 처리되어, 고장 처리 및 A/S시의 원인 분석에 상당한 어려움이 있었다.
이에 LDC 하드웨어 고장을 판별하기 위한 LDC DTC(고장진단 코드)의 필요성이 크게 대두되었고, 이러한 점을 고려하여 본 발명자는 LDC 고장을 정확히 진단 및 판별할 수 있는 방법을 제시한다.
종래기술에서 고장 판단은 보조배터리 충전장치(LDC, 일반 차량:알터네이터)의 케이블 단락/단선을 확인하였으며, 보조배터리 충전장치의 출력전압이 0%, 100%일 경우에 단락 혹은 단선으로 진단하고, 0과 100이 아닌 그 사이의 출력전압을 나타낼 때는 정상 상태로 진단하였다.
즉, 보조배터리 충전장치의 동작상황에 대한 진단에 제한이 있으며, 배터리 SOC(State Of Charge) 상태를 고려하지 않음으로써 동작상태 고장에 대한 정확한 진단이 불가능하다.
본 발명의 이해를 돕기 위해 하이브리드 차량의 보조배터리 충전장치, 즉 LDC에 대해 좀더 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 하이브리드 차량의 구동계통 및 전력계통, 제어기간 통신 인터페이스 및 전기/동력 입출력을 나타낸 블록도이다.
도시된 바와 같이, 하이브리드 차량에는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)(1)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.
즉, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU)(4), 모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터 포함)(3), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU)(5), 배터리 상태를 감시하고 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(2) 등이 구비되어 있다.
여기서, HCU(1)는 차량 전반의 제어를 담당하는 최상위 제어기로서, 각 제어기들이 최상위 제어기인 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.
모터의 구동전력을 제공하는 고전압 배터리(메인배터리)(2)는 차량 운행 중 충/방전을 반복하면서 필요한 전력을 공급하게 된다.
LDC(11)는 고전압 배터리(10)로부터 메인 입력 전원을 받아 차량 주행모드(정지/가속/감속/정속), 고전압 배터리 SOC 충방전 상태, 전장부하량에 따라 LDC 출력전압을 가변하여 12V 보조배터리(12)를 충전하는 단방향 컨버터이다.
LDC 동작에 대한 타이밍 차트는 첨부한 도 2에 나타내었으며, 도 3은 LDC 전 력 전달 및 협조 제어를 나타낸 순서도이다.
LDC는 HCU의 동작 지령에 따라 동작을 개시한 뒤 HCU의 전압 지령에 따라 출력전압을 발생시켜 출력하게 된다.
우선, 도 2를 참조하면, 차량 시동키(IG Key)가 온(IG On) 상태가 되면, 메인 릴레이가 온(On) 되어 고전압 전원이 인가되고, 엔진 런닝(크랭킹) 후 LDC가 HCU로부터 동작 지령을 전달받아 동작하게 된다.
이에 따라, LDC 동작 동안 전압 출력이 이루어지며, 이때 차량 주행상태(아이들/가속/감속/정속)에 따라 HCU로부터 LDC로 인가되는 출력전압 지령이 가변된다.
이러한 과정을 도 3의 순서도를 참조하여 다시 설명하면, IG 온(On)이 되면 HCU와 LDC 간, LDC와 BMS 간 CAN 통신이 수행되고, 이어 LDC 고전압 전원이 인가되면 LDC 온도, 파워가 모니터링 되면서 LDC로부터 HCU로 경고 신호가 송신된다.
이후 엔진이 시동되면 HCU가 LDC에 동작 지령을 송신하고, LDC는 HCU로의 경고 신호를 해제하며, 이후 LDC에서 보조전원(제어전원/구동전원)이 발생(SMPS)하여 12V 전압으로 출력되게 된다.
이하, 첨부한 도 4를 참조하여 본 발명의 고장 진단 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 LDC 고장 진단 과정을 나타낸 순서도로서, LDC 출력전압 신호에 따른 고장 진단 로직을 나타낸 것이다.
하이브리드 시스템에서 LDC가 동작되기 위한 정상 조건이면 LDC는 HCU로부터 수신되는 전압 지령에 따라 전압을 발생시켜 출력하는데, LDC의 하드웨어 고장이 발생한 경우에는 LDC의 출력전압이 0V가 되며, 전장부하는 보조배터리로부터 공급되어 보조배터리가 단시간에 방전된다.
이러한 보조배터리의 방전을 방지하기 위한 것으로서, 본 발명의 고장 진단 로직은 HCU의 전압 지령과 실제 출력전압을 비교하여 그 차이가 일정 수준 이상 크게 날 경우 LDC 고장으로 판단하며, 이러한 고장 진단은 별도의 추가적인 하드웨어 없이 S/W만으로 구현이 가능하다.
우선, 하이브리드 차량에서 시동키가 온(IG ON ) 되면 엔진 크랭킹(런닝) 후 HCU가 LDC 동작 지령을 출력하고, 이에 LDC가 CAN 통신을 통해 HCU의 동작 지령을 수신받게 된다.
이에 따라, LDC가 동작을 개시하고, 이어 HCU로부터 수신되는 전압 지령(Vo_cmd)에 따라 전압(약, 12.8 ~ 14.1V, 보조배터리 입력단 실측 전압임)을 발생시켜 출력한다.
이와 같이 전압이 출력되는 동안에 LDC 내에서는 LDC의 출력전압(Vo_ldc)을 모니터링 하게 되는데, 이러한 출력전압의 모니터링은 LDC에 연결된 보조배터리 입력단에서 측정되는 전압을 모니터링함으로써 이루어진다.
이때, LDC는 HCU의 전압 지령값(Vo_cmd)을 모니터링된 실제 출력전압값(Vo_ldc)과 비교하여 그 차이(｜Vo_cmd - Vo_ldc｜)가 미리 설정된 기준전압보다 클 경우 LDC 하드웨어 고장으로 판별하게 된다.
이러한 고장이 발생하였을 경우에 차량 전장부하는 보조배터리로만 공급되 며, 전장부하량에 따라 다르지만 일반적인 아이들 부하 약 500W에서 보조배터리 전압은 수 분 내에 10V 이하로 떨어지게 된다.
바람직한 실시예에서, LDC는 전압 지령값과 실제 출력전압값의 차이가 기준전압보다 큰 상태가 기준시간 이상 지속되는 경우 최종적으로 LDC 하드웨어 고장으로 진단하며, 이때 고장진단 코드(DTC)를 생성하고 동시에 보조배터리 경고등을 점등시켜 LDC 하드웨어 고장을 운전자에게 알리게 된다.
물론, LDC 고장 판정이 있게 되면 LDC 출력이 오프된다.
이와 같이 보조배터리의 심방전을 방지하기 위해 운전자로 하여금 LDC 고장을 인지시키기 위한 보조배터리 경고등을 점등시키며, 보조배터리 경고등 점등을 위해 기준시간(예, 120sec) 동안 비교/유지 시간을 가지며, 120sec 후 고장진단 코드를 생성하는 동시에 보조배터리 경고등을 점등시킨다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 고장 진단 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 이를 참조하면, LDC 출력 전압 지령(LDC Vo_cmd)과 실제 출력전압(Vo_ldc) 간 차이가 2V를 초과하는 경우 LDC 고장으로 판별하고, 이러한 LDC 고장 판별 상태가 기준시간120sec 이상 유지되면 최종적으로 고장 진단 및 LDC 출력 오프, 보조배터리 경고등 점등을 수행하게 된다.
이러한 본 발명의 고장 진단 과정에서, 상기 기준전압은 LDC에서 케이블을 통해 배터리 입력단으로 전압이 인가되면서 발생하는 출력전압 강하(drop)량과 모니터링 전압 오차를 고려하여 설정될 수 있는데(도 6 참조), 예컨대 아래와 같이 2V로 설정이 가능하다.
- 출력전압 강하량(V) = 1Vmax [케이블 저항(0.0075Ω)×출력전류(135A),전압 보상]
- 기준전압 2V = 1V[출력전압 강하량] + 1Vmax[모니터링 전압 오차]
이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 저전압 DC-DC 컨버터(LDC) 고장 진단을 통해 하이브리드/연료전지 차량에서 DC-DC 컨버터 및 보조배터리의 내구수명을 연장할 수 있게 되며, A/S 비용 절감을 기대할 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량의 구동계통 및 전력계통, 제어기간 통신 인터페이스 및 전기/동력 입출력을 나타낸 블록도,
도 2는 LDC 동작에 대한 타이밍 차트를 나타낸 도면,
도 3은 LDC 전력 전달 및 협조 제어를 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 LDC 고장 진단 과정을 나타낸 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 LDC 고장 진단 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 LDC와 배터리 사이의 출력전압 강하 발생을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : HCU 2 : BMS
3 : MCU 4 : ECU
5 : TCU 10 : 고전압 배터리(메인배터리)
11 : LDC 12 : 보조배터리
13 : 부하

Claims (3)

  1. 전기자동차에서 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)의 고장을 진단하기 위한 방법에 있어서,
    상기 저전압 DC-DC 컨버터가 외부 제어기로부터 수신되는 전압 지령에 따라 전압을 출력하는 동시에 실제 출력전압을 모니터링하고, 상기 전압 지령과 실제 출력전압을 상호 비교하여 컨버터의 하드웨어 고장 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 DC-DC 컨버터 고장 진단 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압 지령과 실제 출력전압의 차이가 기준전압을 초과하고 기준전압을 초과하는 상태가 일정시간 이상 지속되는 경우 고장 상태로 진단하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 DC-DC 컨버터 고장 진단 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 저전압 DC-DC 컨버터가 고장 상태를 진단하게 되면 고장진단 코드를 생성하는 동시에 경고등을 점등하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 DC-DC 컨버터 고장 진단 방법.
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