KR20090109373A - 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치 및 방법 - Google Patents

배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량 및 연료전지 차량에 적용되는 모터 및 인버터의 제어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 인버터를 운전하는 도중 배터리로부터 인버터 직류단을 연결하는 메인릴레이, 케이블, 커넥터 등이 단선되었을 때 이를 검출하여 인버터 및 모터를 보호할 수 있도록 한 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 인버터의 직류단 전력을 계산하는 단계; 상기 인버터의 직류단 전압변동을 계산하는 단계; 상기 직류단 전력 및 직류단 전압변동으로부터 커패시턴스(
Figure 112008026805788-PAT00001
)를 계산하는 단계; 상기 계산된 커패시턴스의 값이 기설정된 기준값과 비교하는 단계; 상기 커패시턴스의 계산값이 기준값보다 작은 경우에는 배터리와 인버터 간의 연결해제된 것으로 판단하고, 기준값보다 같거나 큰 경우에는 배터리와 인버터간의 연결이 정상인 것으로 판단하는 단계를 포함하고, 상기 배터리와 인버터간의 연결이 해제된 경우에는 인버터 운전을 정지하는 것을 특징으로 하는 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법을 제공한다.
배터리, 인버터, 케이블, 커넥터, 모터, 커패시터

Description

배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치 및 방법{Error detection apparatus and method for cable and connector of battery-inverter}
본 발명은 하이브리드 차량 및 연료전지 차량에 적용되는 모터 및 인버터의 제어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 인버터를 운전하는 도중 배터리로부터 인버터 직류단을 연결하는 메인릴레이, 케이블, 커넥터 등이 단선되었을 때 이를 검출하여 인버터 및 모터를 보호할 수 있도록 한 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 하이브리드 차량 및 연료전지 차량에서 케이블 단선 또는 커넥터 체결 해제, 케이블 단선 및 커넥터 체결 해제 등의 오류를 검출하기 위하여 파워 케이블 및 커넥터에 별도의 신호 케이블 및 커넥터를 추가하여 신호케이블의 연결 상태에 따라 파워케이블과 커넥터의 연결 상태를 모니터링하여 오류를 검출하는 방법이 사용되고 있다. 이러한 방법을 HVIL(Hazardous Voltage Interlock Loop)방법이라 부른다.
도 2는 종래의 배터리(10)-인버터(12) 연결도(기계적 연결도)이고, 도 3은 배터리(10)로부터 인버터(12) 직류단을 연결하는 메인릴레이(11), 케이블(15,18), 커넥터(14,16,17,19) 등이 단선되었을 때의 일레를 나타내는 것으로서 인버터 파워커넥터(19)가 탈거된 상태를 나타낸다.
도시한 바와 같이 인버터 파워커넥터(19)가 탈거된 경우에 시스템에 미치는 영향을 설명하면 다음과 같다.
1. 모터(13)가 구동모드로 동작하고 있을 경우
1) 모터(13)를 구동하기 위한 에너지를 배터리(10)로부터 받지 못한다.
2) 인버터(12) 내부에 장착되어 있는 커패시터에 저장되어 있는 에너지를 소모한다.
3) 상기 커패시터의 전압이 감소한다.
4) 모터(13) 제어를 수행할 수 없다. 특히 모터(13)가 고속 회전하고 있을 경우에는 문제가 더욱 심각하다.
2. 모터(13)가 발전 모드로 동작하고 있을 경우
1) 모터(13)로부터 발전되는 에너지를 배터리(10)로 전달하지 못한다.
2) 인버터(12) 내부의 커패시터에 에너지를 저장한다.
3) 커패시터 전압이 급격하게 증가한다.
4) 커패시터 및 파워 모듈의 과전압으로 파손될 위험이 증가한다.
도 4는 종래의 HVIL 방법에 따른 연결 해제 검출 방법을 설명하기 위해 메인릴레이(11)와 인버터(12) 부분을 확대한 도면으로서, 인버터(12)를 운전하는 도중 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 하드웨어적인 회로를 사용하여 연결 해제를 검출하는 방법이사용된다.
상기 HVIL의 원리는 파워 커넥터(14,16,17,19) 및 케이블(15,18)에 별도의 신호 커넥터 및 케이블(15,18)을 추가하고, 그 끝에 저항을 설치하여 12V 전원에 연결하면, 연결이 정상인 경우에는 HVIL 검출 전압이 수식 1에 의하여 발생하지만, 연결이 해제될 경우에는 HVIL 검출 전압이 수식 2와 같게 되므로, HVIL 검출 전압이 일정 값 이상이 되면 연결이 해제된 것으로 판단된다. 이때, 인버터 내부의 파워 커넥터(19) 연결 해제시 신호 커넥터 연결도 해제되도록 설계되어 있다.
VHVIL = R1/(R1+R2)*12[V] (수식 1)
VHVIL = 12[V] (수식 2)
그러나, HVIL을 사용하려면 HVIL용 신호 커넥터와 신호 케이블을 추가하여여 하는데, 일반적으로 파워케이블/커넥터와 별도로 추가하는 것이 아니라 파워케이블/ 커넥터에 포함하기 때문에 이미 사용되고 있는 파워 케이블 및 커넥터를 사용할 수 없어 설계 변경을 해야 하므로 원가 상승의 문제가 발생한다.
또한, 인버터(12) 내부에 HVIL 전압을 검출하기 위한 회로 및 검출된 전압을 처리하기 위한 회로가 사용되어야 하므로 원가 상승의 문제가 발생한다.
또한, 인버터(12)-메인릴레이(11) 사이의 HVIL 추가로는 배터리(10)-메인릴레이(11) 사이의 커넥터/케이블의 연결해제 및 메인릴레이(11) 자체의 연결해제를 검출할 수 없는 문제가 있다.
따라서, 배터리(10)-메인릴레이(11) 사이의 HVIL을 추가하여야 하기 때문에 추가적인 원가 상승이 발생한다.
또한, 상기 원가 상승 이외에 인버터(12)가 배터리(10)-메인릴레이(11) 사이의 HVIL 검출 정보를 사용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 배터리 내부에 설치된 제1커패시터와, 인버터 내부에 설치된 제2커패시터를 포함하고, 상기 배터리와 인버터의 전체 커패시턴스가 제1커패시터의 커패시턴스와 제2커패시터의 커패시턴스의 합보다 작은 경우에 배터리-인버터가 연결해제된 것으로 판단함으로써, 기본적인 인버터 구성이외에 추가의 회로 및 부품이 필요없어서 인버터 부품을 보호위하여 파워 케이블/커넥터의 신규 개발 및 양산가 상승, 추가 회로 사용에 따른 원가 상승을 초래하는 종래기술 대비 원가를 절감할 수 있도록 한 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치에 있어서,
배터리 내부에 설치된 제1커패시터; 및
인버터 내부에 설치되고, 상기 제1커패시터와 병렬로 연결된 제2커패시터을 포함하고, 상기 배터리와 인버터의 전체 커패시턴스가 제1커패시터의 커패시턴스와 제2커패시터의 커패시턴스의 합보다 작은 경우에 배터리-인버터가 연결해제된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법에 있어서,
인버터의 직류단 전력을 계산하는 단계;
상기 인버터의 직류단 전압변동을 계산하는 단계;
상기 직류단 전력 및 직류단 전압변동으로부터 커패시턴스(
Figure 112008026805788-PAT00002
)를 계산하는 단계;
상기 계산된 커패시턴스의 값이 기설정된 기준값과 비교하는 단계;
상기 커패시턴스의 계산값이 기준값보다 작은 경우에는 배터리와 인버터 간의 연결해제된 것으로 판단하고, 기준값보다 같거나 큰 경우에는 배터리와 인버터간의 연결이 정상인 것으로 판단하는 단계를 포함하고, 상기 배터리와 인버터간의 연결이 해제된 경우에는 인버터 운전을 정지하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 기준값은 배터리 내부 커패시터의 커패시턴스와 인버터 내부 커패시터의 커패시턴스의 합이거나, 또는 상기 배터리 내부 커패시터의 커패시턴스와 인버터 내부 커패시터의 커패시턴스의 중간값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 직류단 전력(PDC)은 수식(
Figure 112008026805788-PAT00003
)에 의해 인버터 교류전력(PAC)을 계산하는 단계; 및 수식(
Figure 112008026805788-PAT00004
)에 의해 인버터 직류전력(PDC)을 계산하는 단계를 포함하여 이루어지고, ηMOT 은 모터효율, Tq 은 모 터 토크, NMOT 은 모터속도, ηINV 은 인버터 효율, ΔV2 DC 는 인버터 직류 전압제곱의 변화량인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 커패시턴스(
Figure 112008026805788-PAT00005
)는 수식(
Figure 112008026805788-PAT00006
)에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치 및 방법에 의하면, 배터리와 인버터 사이의 연결 해제 시, 인버터 부품을 보호하기 위하여 파워케이블 및 커넥터의 신규 개발 및 양산가 상승, 추가 회로 사용에 따른 원가 상승을 초래하는 종래 기술 대비 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 인버터 부품의 보호를 위하여 사용되는 과전압 보호, 저전압 보호 등의 기능을 향상시킬 수 있고, 하이브리드 차량 및 연료전지 차량에서 배터리 및 인버터 간 연결 오류에 대하여 인버터 부품을 보호할 수 있으므로, 고장에 의한 부품 교체 등을 방지할 수 있고, 차량의 상품성 향상에 기여할 수 있다. 이러한 효과는 배터리와 인버터 간 거리가 물리적으로 긴 하이브리드 차량에서 특히 증대될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 5는 본 발명의 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치를 나타내는 구성도이고, 도 6은 본 발명의 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법의 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 7은 본 발명의 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법을 나타내는 순서도이다.
배터리(10)-인버터(12) 사이에는 메인릴레이(11)가 설치되어 메인릴레이(11)를 통해 배터리(10)의 전원이 인버터(12) 및 모터(13)에 공급되고, 모터(13)의 발전시에는 모터(13)의 발전에너지가 인버터(12) 및 메인릴레이(11)를 통해 배터리(10)에 저장된다.
본 발명에 따른 배터리(10)-인버터(12) 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법의 원리를 설명하면 다음과 같다.
상기 배터리(10) 자체 및 인버터(12) 내부에는 직류단 커패시터가 설치되고, 두 종류의 에너지 저장 장치는 서로 병렬로 연결되어 있다.
에너지 저장 장치의 용량은 커패시턴스(C)로 표시할 수 있으며, 두 에너지 저장장치가 병렬로 연결되어 있을 경우 전체 커패시턴스는 수식 3과 같이 두 커패시턴스의 합으로 나타낼 수 있다.
CDC1 = CBATT+CINV (수식3)
그리고 도 3에 도시한 바와 같이 배터리(10)-인버터(12) 간 연결이 해제될 경우, 배터리(10)의 커패시턴스가 없는 것과 같으므로 인버터(12) 측에서 계산되는 전체 커패시턴스는 CINV와 같게 된다. 즉, 수식3의 정상적인 경우의 전체 커패시턴스가 되며 수식 4가 연결 해제되었을 때의 전체 커패시턴스가 된다.
CDC2 = CINV (수식4)
본 발명은 정상적인 경우의 전체 커패시턴스(CDC1)와 문제가 발생하였을 때의 전체 커패시턴스(CDC2)의 값이 다름을 이용항 배터리(10)-인버터(12) 간 연결 해제의 오류를 검출할 수 있다.
한편, 전체 커패시턴스와 직류전압, 에너지 흐름의 관계는 다음 수식 5와 같다.
Figure 112008026805788-PAT00007
(수식 5)
Figure 112008026805788-PAT00008
따라서, 전체 커패시턴스가 달라지면 동일한 직류 전력의 흐름에 대하여 전압 변동(상승 또는 하강) 폭이 달라진다.
그리고, 상기 직류 전력의 흐름과 전압 변동으로부터 수식 6에 의해 전체 커패시턴스를 계산할 수 있다. 이때, 직류 전력은 모터 토크 및 속도로부터 교류 전력을 계산하고, 이에 인버터(12) 효율의 역수를 곱하여 계산될 수 있으며, 전압 변 동의 경우에는 인버터(12)에 이미 직류 전압을 측정하는 회로가 있으므로 측정된 직류 전압으로부터 전압 변동을 계산할 수 있다.
Figure 112008026805788-PAT00009
(수식 6)
따라서, 기본적인 인버터(12) 구성 이외에 본 발명의 구현을 위한 추가의 회로 및 부품이 필요하지 않게 된다.
상기 계산된 직류단 커패시턴스 값(
Figure 112008026805788-PAT00010
)이 CDC1 보다 매우 작은 경우에는 연결 해제 오류로 판단하게 된다.
이와 같은 원리에 의하여 본 발명의 배터리(10)-인버터(12) 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수식 7과 수식 8에 의해 직류단 전력을 계산한 다음, 수식 9에 의해 직류단 전압 변동을 계산한다.
계속해서, 수식 10에 의해 상기 계산된 직류단 전력과 전압을 이용하여 커패시턴스를 계산한다.
Figure 112008026805788-PAT00011
상기 계산된 커패시턴스이 기설정된 기준값보다 작은 경우에는 직류단 연결 오류 신호를 출력하고 인버터(12) 운전을 정지하고, 기준 설정값보다 같거나 큰 경우에는 직류단 연결상태가 정상인 것으로 판단한다.
여기서, 직류 전압의 변동을 계산할 때에는 본 발명의 로직이 수행되는 수행 주기 동안의 직류 전압의 변동을 계산할 수도 있지만, 수행 주기가 짧아 직류 전압의 변동이 그리 크지 않을 경우 수 주기 동안의 직류 전압의 변동을 계산하여도 무방하다.
또한, 설정 기준값 CDC,SET은 연결 해제를 판단하기 위하여 설정되는 커패시턴스 값으로 실제로 존재하는 값이 아니므로 로직의 구현시 임의로 설정 가능하다. 이론적으로는 정상일때의 전체 커패시턴스 값, CDC1 으로 설정할 수 있지만 모터(13) 및 인버터의 효율에 오차가 존재할 수 있어 계산된 교류 전력 및 직류 전력 이 실제 값에 대하여 오차를 가질 경우 CDC1으로 설정하면 잘못된 판별을 할 수 있다.
따라서, 측정 및 계산의 오차를 고려하여 수식 11과 같이 배터리(10) 커패시턴스와 직류 커패시터의 커패시턴스의 중간 값으로 설정하는 것이 안전하다.
CDC,SET = 0.5×(CBATT+CINV)
본 발명의 로직 적용 전후를 비교한 예를 설명하면 다음과 같다.
도 8a에 도시한 바와 같이 배터리(10)-인버터(12) 연결이 해제되는 순간, 구동모드에서는 직류전압이 급격히 감소하여 모터(13) 제어에 영향을 미치게 되고, 도 8b에 도시한 바와 같이 발전모드에서는 직류전압이 급격히 증가하여 인버터(12) 부품이 견딜 수 있는 전압 제한을 초과하여 부품이 파손되게 된다.
도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이 실제 직류단 연결 해제 후 1msec 이내에 연결 오류를 검출하여 인버터(12)의 운전을 중지함으로써 구동모드시 직류 전압의 과도한 하락 및 도 10a 및 도 10b에 도시한 바와 같이 발전모드시 직류전압의 과도한 상승을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함 한다.
도 1은 종래의 배터리-인버터 간 전기적 연결도를 나타내는 회로도,
도 2는 도 1의 기계적 연결도,
도 3은 도 2에서 인버터 파워커넥터가 탈거된 모습을 나타내는 개념도,
도 4는 도 3의 HVIL을 설명하기 위한 개략도,
도 5는 본 발명의 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명의 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법의 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 7은 본 발명의 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법을 나타내는 순서도,
도 8a 및 도 8b는 종래의 구동모드 및 발전모드에서 배터리-인버터간 연결 해제시 직류전압의 거동을 나타내는 그래프,
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 구동모드에서 배터리-인버터간 연결 해제시 직류전압의 거동을 나타내는 그래프,
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 발전모드에서 배터리-인버터간 연결 해제시 직류전압의 거동을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 배터리 11 : 메인릴레이
12 : 인버터 13 : 모터
14 : 배터리 파워커넥터 15 : 배터리-메인릴레이 파워케이블
16 : 메인릴레이 파워커넥터(배터리측)
17 : 메인릴레이 파워커넥터(인버터측)
18 : 메인릴레이-인버터 파워케이블
19 : 인버터 파워커넥터

Claims (5)

  1. 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치에 있어서,
    배터리 내부에 설치된 제1커패시터; 및
    인버터 내부에 설치되고, 상기 제1커패시터와 병렬로 연결된 제2커패시터을 포함하고, 상기 배터리와 인버터의 전체 커패시턴스가 제1커패시터의 커패시턴스와 제2커패시터의 커패시턴스의 합보다 작은 경우에 배터리-인버터가 연결해제된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 장치.
  2. 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법에 있어서,
    인버터의 직류단 전력을 계산하는 단계;
    상기 인버터의 직류단 전압변동을 계산하는 단계;
    상기 직류단 전력 및 직류단 전압변동으로부터 커패시턴스(
    Figure 112008026805788-PAT00012
    )를 계산하는 단계;
    상기 계산된 커패시턴스의 값이 기설정된 기준값과 비교하는 단계;
    상기 커패시턴스의 계산값이 기준값보다 작은 경우에는 배터리와 인버터 간의 연결해제된 것으로 판단하고, 기준값보다 같거나 큰 경우에는 배터리와 인버터간의 연결이 정상인 것으로 판단하는 단계를 포함하고, 상기 배터리와 인버터간의 연결이 해제된 경우에는 인버터 운전을 정지하는 것을 특징으로 하는 배터리-인버 터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기준값은 배터리 내부 커패시터의 커패시턴스와 인버터 내부 커패시터의 커패시턴스의 합이거나, 또는 상기 배터리 내부 커패시터의 커패시턴스와 인버터 내부 커패시터의 커패시턴스의 중간값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 직류단 전력(PDC)은 수식(
    Figure 112008026805788-PAT00013
    )에 의해 인버터 교류전력(PAC)을 계산하는 단계; 및 수식(
    Figure 112008026805788-PAT00014
    )에 의해 인버터 직류전력(PDC)을 계산하는 단계를 포함하여 이루어지고, ηMOT 은 모터효율, Tq 은 모터 토크, NMOT 은 모터속도, ηINV 은 인버터 효율, ΔV2 DC 는 인버터 직류 전압제곱의 변화량인 것을 특징으로 하는 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 커패시턴스(
    Figure 112008026805788-PAT00015
    )는 수식(
    Figure 112008026805788-PAT00016
    )에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 배터리-인버터 케이블 및 커넥터 오류 검출 방법.
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