KR20100004013A - 하이브리드전기차량을 위한 인버터 ｄｃ-링크 전압 방전시스템 및 방법 - Google Patents

하이브리드전기차량을 위한 인버터 ｄｃ-링크 전압 방전시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템 및방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 키 오프시 인버터를 제어하여 모터에 q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하는 영토크제어를 수행함으로써, DC 커패시터에 충전되어 있는 전압을 빠른 시간 내에 방전시키고 충돌 시 감전의 위험을 최소화할 수 있는 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해,
고전압 배터리; 상기 고전압 배터리의 DC 전압을 스위칭하여 3상 교류전원으로 변환하는 인버터; 및 상기 변환된 3상 교류전원에 의하여 구동되는 3상 교류모터; 를 포함하여 구성되며, 상기 인버터는 차량의 키 오프 시 또는 에어백 작동 신호 감지 시 모터에 q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하는 영토크제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템을 제공한다.
하이브리드, 인버터, DC링크 전압, 방전, MCU, LDC, 인버터, 영토크제어, IPMSM

Description

하이브리드전기차량을 위한 인버터 ＤＣ-링크 전압 방전 시스템 및 방법 {Inverter DC-Link Voltage Discharging System And Method Thereof}
본 발명은 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 자동차는 엔진과, 배터리의 전원으로 구동되는 구동모터로 구성되는 동력원이 구비되며, 전륜에 상기의 동력원을 적절히 조합한 구조를 적용하여 차량의 출발시나 가속시에 배터리의 전압에 의해 동작되는 모터의 동력 보조로 연비 향상을 유도할 수 있는 차량을 말한다.
하이브리드 차량의 동력 분배장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 전기를 발생시키는 연료전지(10)와, 연료전지(10)에서 발생된 전기의 힘으로 구동되는 모터(30), 상기 연료전지(10)에서 출력되는 DC 전압을 스위칭하여 3상 교류전원으로 변환하여 상기 모터(30)의 구동 전원으로 공급하는 인버터(20), 상기 인버터(20)를 PWM(Pulse Width Modulation)으로 제어하여 상변환을 드라이브하는 MCU(Motor Control Unit: 40) 및 상기 연료전지(10)에 발생된 전원을 차량의 각종 전장부하의 전원으로 공급하기 위하여 전압을 변환시키는 DC/DC 컨버터(50)를 포함하여 구성된다.
하이브리드 전기자동차에서 전반적인 동작을 총괄 제어하는 상위 제어기는 HCU(Hybrid Control Unit)로서, 이 HCU는 하위 제어기인 상기 MCU(Motor Control Unit)와 소정의 방식으로 통신하여 구동원인 모터의 토크와 속도 및 발전 토크량을 제어하고, 보조 동력원으로 전압 발전을 위한 동력을 발생하는 엔진을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)와 통신하여 엔진 시동 관련 릴레이 제어 및 고장 진단을 수행한다.
한편, 상기 하이브리드 차량에는 고전압배터리의 전력을 정류하여 직류로 만드는 LDC 즉, DC/DC 컨버터가 포함되어 있는 바, 이 LDC는 일반 직류를 스위칭시켜 교류로 만들고 이 교류를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등을 이용해 승압 또는 강압시킨 다음, 다시 정류시켜 DC로 만들어, 각 전장 부하에서 사용되는 전압에 맞게 전기를 공급하는 역할을 한다.
이와 같은 전기 동력 분배 시스템을 갖는 하이브리드 차량에서, 고전압에 따른 안전 설계의 일환으로 인버터의 DC링크 전압, 즉 DC링크 커패시터에 충전되어 있는 전압을 종래 기술에서는 도 2에 도시된 바와 같이 차량의 키-오프(메인릴레이 차단시)시 시멘트 저항을 이용하여 방전시키게 된다.
그러나, 상기와 같은 시멘트 저항을 이용한 DC링크 전압 방전 시스템은 다음과 같은 단점이 있다.
차량 키-오프(Key-off)시 고전압 안전을 위하여 DC링크 전압을 강제 방전시켜야 하는데, 도 3의 사진에서 보는 바와 같이 시멘트 저항(70)을 사용하여 강제 방전 시킴에 따라, 즉 시멘트 저항을 DC링크(Link) 단에 연결하여 강제로 전압 방전시킴에 따라 저항자체에 상시 발열 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 상기 시멘트 저항의 자체 소모발열량에 대한 계산예를 보면, 배터리전압: 150V, 시멘트 저항 R=10kΩ 이므로, P=2.25W가 상기 소모되는 단점이 있다.
이에, 상기 시멘트 저항의 내부 발열에 대한 방열설계가 필요하여, 시멘트 저항에 별도의 방열판을 연결하여 시멘트 저항의 발열을 MCU 케이스로 열 전도시키는 구조를 적용함과 함께 상기 시멘트 저항을 고전압 배터리쪽과 링터미널을 이용하여 연결함에 따라, MCU의 제작비가 상승하는 동시에 중량이 크게 상승되는 단점도 있다.
상기와 같은 단점을 극복하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 LDC (DC-DC 컨버터)를 이용하여 PWM 신호의 제어를 통해 인버터 커패시터에 충전되어 있는 전기 에너지를 배터리에 방전시키는 기술이 제안되었다.
그러나, 상기와 같은 DC 링크 전압방전 시스템은 소모파워가 약 10W로서, 완전 방전에 걸리는 시간이 약 10초 정도로 긴 시간이 소요됨으로써, 충돌시 고전압 부분이 파손되어 차체에 닿아 감전의 위험이 크다는 단점이 있으며 이로 인해 보다 빠르고 효율적으로 DC 링크 전압을 방전시킬 수 있는 기술의 필요성이 대두되었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량의 키 오프시 또는 에어백 작동 신호 감지 시 인버터를 제어하여 모터에 q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하는 영토크제어를 수행함으로써, DC 커패시터에 충전되어 있는 전압을 빠른 시간 내에 방전시키고 충돌 시 차량의 파손 등으로 인한 감전의 위험을 최소화할 수 있는 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템은,
고전압 배터리;
상기 고전압 배터리의 DC 전압을 스위칭하여 3상 교류전원으로 변환하는 인버터; 및
상기 변환된 3상 교류전원에 의하여 구동되는 3상 교류모터;
를 포함하여 구성되며, 상기 인버터는 차량의 키 오프시 또는 에어백 작동 신호 감지 시 모터에 q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하는 영토크제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 3상 교류 모터는 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)인 것을 특징 으로 한다.
한편, 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리의 DC 전압을 스위칭하여 3상 교류전원으로 변환하는 인버터, 및 상기 변환된 3상 교류전원에 의하여 구동되는 3상 교류모터를 포함하여 구성되는 하이브리드전기차량의 인버터 DC-링크 전압 방전 방법에 있어서, 상기 방법은,
(a) 상기 하이브리드전기차량의 키 오프 또는 에어백 작동 신호를 감지하는 단계;
(b) 메인 릴레이 제어유닛을 이용하여 메인 릴레이를 오프하는 단계;
(c) 상기 인버터를 제어하여 상기 3상 교류모터에 q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 3상 교류 모터는 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)인 것을 특징으로 하는 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 방법.
또한, 상기 (b) 단계 이후에,
(b-1) 인버터의 영토크제어를 통한 DC-링크 전압 방전의 가능성을 판단하는 단계;
(b-2) 상기 인버터의 영토크제어를 통한 DC-링크 전압 방전이 가능한 경우 상기 (c) 단계를 수행하고, 불가능한 경우 LDC를 이용하여 DC-링크 전압을 방전하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템 및 방법에 의하면,
첫째, 인버터에서 반도체 스위치를 이용한 스위칭을 통하여 영토크제어 방전을 수행함으로써 약 50ms 이내의 빠른 시간 내에 DC-링크 전압을 방전시킬 수 있으며,
둘째, 상기와 같은 빠른 방전을 통해 고전압 단락으로 인한 감전사고의 위험성을 최소화 할 수 있고,
셋째, 시멘트 저항 및 시멘트 저항 방열판과 같은 MCU 내부 구성 부품을 삭제할 수 있어 제품의 생산 단가 및 중량을 효과적으로 절감할 수 있으며,
넷째, 상기와 같은 구성으로 인해 MCU 내부의 구조 및 배선 등을 간소화할 수 있으므로, 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적 인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어를 사용하여 설명한다. 그러한 경우에는 해당 부분의 상세 설명에서 그 의미를 명확히 기재하므로, 본 발명의 설명에서 사용된 용어의 명칭만으로 단순 해석되어서는 안 될 것이며 그 해당 용어의 의미까지 파악하여 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이, 기존의 방전 저항을 삭제(520)하고 인버터(512)를 q축 전류는 0이고 d축 전류는 최대로 하는 영토크제어하여 DC-링크 전압이 모터(514)에서 열로 손실되도록 한다.
일반적으로 하이브리드의 구동모터로 3상 교류모터인 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 적용이 확대되고 있으며, 이는 모터의 중량당 출력이 크고 기계적 신뢰성이 높으며 고속운전이 가능하여 적용에 적합한 특성을 가지고 있기 때문이다.
상기와 같은 3상 교류모터는 U,V,W 3상 전류를 자속제어 전류인 d축 전류와 토크제어 전류인 q축 전류의 2상으로 나누어 제어하는 벡터제어를 수행하며, 상기와 같은 제어 과정에서는 시변 파라미터가 제거되고 변수 및 파라미터들이 직교 또는 상호 분리된 Direct (d) 축과 Quadrature(q) 축으로 표현된다.
한편, 일반적으로 정지 좌표계에서는 d축과 q축은 고정자에 고정되어 지는 반면에, 회전 좌표계에서는 상기 기준 축이 회전한다.
상기 회전 좌표는 회전자위에 고정되거나 동기 속도로 움직일 수 있으며, 동기 속도로 회전하는 좌표계의 모델은 정현파 전원일 경우 정상상태에서 변수들이 직류량으로 나타나기 때문에 쉽게 제어가 가능하다.
상기와 같은 동기좌표계에서 모터의 전압방정식은 다음 수학식 1과 같이 나타난다.
Figure 112008047948071-PAT00001
상기 vd는 d축 전압, Rs는 모터 상저항, id는 d축 전류는 나타내고, Ld는 d축 인덕턴스, ω는 모터 각속도를 각각 나타낸다.
또한, 상기 vq는 q축 전압, iq는 q축 전류는 나타내고, Lq는 q축 인덕턴스, ΨF는 영구자석 자속을 각각 나타낸다.
한편, 상기와 같은 모터에서 발생하는 토크 방정식은 다음 수학식 2와 같이 나타난다.
Figure 112008047948071-PAT00002
상기에서, T는 모터의 토크, P는 영구자석 극수, Ld는 d축 인덕턴스, Lq는 q축 인덕턴스, id는 d축 전류, iq는 q축 전류, ΨF는 영구자석 자속을 각각 나타낸다.
따라서, q축 전류가 0이면 아무리 큰 d축 전류를 흘리더라도 토크는 발생하지 않는다. 그러므로 차량의 키 오프시 또는 에어백 작동 신호 감지시, q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하면 모터(514)의 토크 발생 없이 전류를 대부분 모터에서 열로 손실시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명은 상기와 같은 모터의 영토크 제어를 통해 방전저항 또는 LDC를 사용하지 않고 극히 짧은 시간에 커패시터에 충전되어 있는 DC-링크 전압을 효과적으로 방전시킬 수 있다.
도 6은 상기와 같은 DC-링크 전압 방전 시스템을 이용한 인버터 DC-링크 전압 방전 방법을 나타낸 순서도이다.
차량의 키 오프시 또는 에어백에 의한 신호가 발생하는 경우(s602), HCU는 메인 릴레이 제어 유닛, 예를 들어 BMS, MCU, 또는 HCU 자신에게 메인 릴레이를 오프하라는 명령을 내린다(s604).
이후 메인 릴레이가 오프되면(s606), 인버터는 q축 전류는 0으로, d축 전류를 최대로 하여 전류를 모터에 인가하여 DC-링크 전압을 방전시킨다(s608). 이후 DC-링크 전압이 모두 방전되면(s610), MCU의 수행을 종료시킨다(s612).
도 7은 종래기술에 따른 DC-링크 전압 방전 그래프(a)와, 본 발명에 따른 DC-링크 전압 방전 그래프(b)를 나타낸다.
LDC를 이용한 전압 방전의 경우, DC-링크 전압이 비교적 천천히 방전되지만(약 10초), 본 발명에 의한 전압 방전의 경우 DC-링크 전압이 빠른 시간 내(50ms)에 모두 방전됨을 확인할 수 있다.
한편, 바람직한 실시예로서, 본 발명은 추가적인 로직을 사용하여 다양한 방전 방법을 활용할 수 있다.
예를 들어, MCU 또는 HCU는 모터의 영토크제어를 통한 방전 가능성을 탐색한 후, 조건이 만족되지 않아 상기 방법으로 방전이 불가능한 경우에는 기존의 방법인 LDC를 이용한 방전 방법을 선택하도록 제어가 가능하다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
도 1은 기존 하이브리드 차량의 전기 동력 분배 및 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템을 설명하는 회로도,
도 2는 종래 기술에 따른 내부 저항을 이용한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템을 설명하는 회로도,
도 3은 실제 MCU의 내부에 시멘트 저항이 설치된 모습을 보여주는 사진.
도 4는 종래 기술에 따른 LDC를 이용한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템을 설명하는 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 인버터 영토크제어를 통한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템을 설명하는 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 인버터 영토크제어를 통한 인버터 DC-링크 전압 방전 방법을 설명하는 순서도,
도 7은 종래 기술에 따른 전압 방전 그래프(a)와 본 발명에 따른 전압 방전 그래프(b)를 나타낸 도면이다.

Claims (5)

  1. 고전압 배터리;
    상기 고전압 배터리의 DC 전압을 스위칭하여 3상 교류전원으로 변환하는 인버터; 및
    상기 변환된 3상 교류전원에 의하여 구동되는 3상 교류모터;
    를 포함하여 구성되며, 상기 인버터는 차량의 키 오프시 또는 에어백 작동 신호 감지 시 모터에 q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하는 영토크제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 3상 교류 모터는 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)인 것을 특징으로 하는 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 시스템.
  3. 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리의 DC 전압을 스위칭하여 3상 교류전원으로 변환하는 인버터, 및 상기 변환된 3상 교류전원에 의하여 구동되는 3상 교류모터를 포함하여 구성되는 하이브리드전기차량의 인버터 DC-링크 전압 방전 방법에 있어서, 상기 방법은,
    (a) 상기 하이브리드전기차량의 키 오프 또는 에어백 작동 신호를 감지하는 단계;
    (b) 메인 릴레이 제어유닛을 이용하여 메인 릴레이를 오프하는 단계;
    (c) 상기 인버터를 제어하여 상기 3상 교류모터에 q축 전류를 인가하지 않고 d축 전류만 최대값으로 인가하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드전기차량의 인버터 DC-링크 전압 방전 방법
  4. 청구항 4에 있어서,
    상기 3상 교류 모터는 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)인 것을 특징으로 하는 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 방법.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후에,
    (b-1) 인버터의 영토크제어를 통한 DC-링크 전압 방전의 가능성을 판단하는 단계;
    (b-2) 상기 인버터의 영토크제어를 통한 DC-링크 전압 방전이 가능한 경우 상기 (c) 단계를 수행하고, 불가능한 경우 LDC를 이용하여 DC-링크 전압을 방전하는 단계;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드전기차량을 위한 인버터 DC-링크 전압 방전 방법.
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