KR20150074815A - 전기 차량의 인버터 보호 방법 - Google Patents

전기 차량의 인버터 보호 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 인버터 보호 방법은, 전원을 공급하는 배터리; 상기 배터리로부터 공급되는 전력을 스위칭하는 IGBT, 상기 배터리로 역전류가 흐르는 것을 방지하는 다이오드 및 NTC를 포함하는 인버터 파워 모듈; 상기 인버터 파워 모듈로부터 공급된 전원으로부터 동력을 발생시키는 모터; 상기 인버터 파워 모듈을 냉각시키도록 냉각수를 공급하는 EWP; 및 상기 인버터 파워 모듈과 상기 모터, 및 상기 EWP를 제어하는 제어부를 포함하는 전기 차량의 인버터 보호 방법에 있어서, 상기 제어부는, 상기 IGBT와 다이오드를 포함하는 파워 소자의 파워 손실을 계산하는 단계; 상기 파워 손실로부터 NTC 온도 센서의 열저항을 계산하는 단계; 상기 NTC 온도 센서의 열저항으로부터 NTC 온도 센서의 온도를 계산하는 단계; 및 상기 NTC 온도 센서의 측정 온도와 상기 NTC 온도 센서의 계산 온도의 차이를 계산하는 단계;를 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 인버터를 구성하는 반도체 소자의 온도에 따라 냉각수량을 조절하여 인버터를 효과적으로 보호할 수 있다.

Description

전기 차량의 인버터 보호 방법 {Inverter Protecting Method of Electric Vehicle }
본 발명은 전기 차량의 인버터 보호 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터를 구성하는 회로 부품의 전기적 손실에 의해 발생하는 고열로부터 인버터를 보호하는 전기 차량의 인버터 보호 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량에는 고전압 배터리로부터 공급되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환시키는 인버터가 구비된다. 이러한 인버터의 파워 모듈은 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 및 다이오드와 같은 반도체 소자로 구성되어, 고전압 및 고전류를 빠른 스위칭을 통해 모터로 전달한다.
모터로 흐르는 일부 전류는 손실이 발생하고, 손실된 전류는 반도체 소자를 가열시켜 높은 온도가 발생한다. 이때, 발생하는 온도는 인버터의 온도를 상승시킨다. 이때, 인버터의 온도가 정격 온도를 넘게 되면, 인버터를 구성하는 회로 부품을 파손시키거나 인버터의 내구 수명을 단축시키는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인버터를 구성하는 반도체 소자의 온도가 상승하여 인버터의 온도가 정격 온도 이상으로 상승하여 반도체 소자가 파손되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 인버터 보호 방법은, 전원을 공급하는 배터리; 상기 배터리로부터 공급되는 전력을 스위칭하는 IGBT, 상기 배터리로 역전류가 흐르는 것을 방지하는 다이오드 및 NTC를 포함하는 인버터 파워 모듈; 상기 인버터 파워 모듈로부터 공급된 전원으로부터 동력을 발생시키는 모터; 상기 인버터 파워 모듈을 냉각시키도록 냉각수를 공급하는 EWP; 및 상기 인버터 파워 모듈과 상기 모터, 및 상기 EWP를 제어하는 제어부를 포함하는 전기 차량의 인버터 보호 방법에 있어서, 상기 제어부는, 상기 IGBT와 다이오드를 포함하는 파워 소자의 파워 손실을 계산하는 단계; 상기 파워 손실로부터 NTC 온도 센서의 열저항을 계산하는 단계; 상기 NTC 온도 센서의 열저항으로부터 NTC 온도 센서의 온도를 계산하는 단계; 및 상기 NTC 온도 센서의 측정 온도와 상기 NTC 온도 센서의 계산 온도의 차이를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 IGBT와 다이오드의 파워 손실은 IGBT와 다이오드의 전도 상황과 스위칭 상황에서 발생하는 파워 손실을 포함하여 계산할 수 있다.
상기 NTC의 열저항은 상기 파워 소자의 온도 상승에 의해 상기 NTC의 온도가 포화될 때의 온도에서 상기 EWP에서 공급되는 냉각수의 온도와의 차이를 상기 파워 소자의 파워 손실로 나누어 계산할 수 있다.
상기 NTC의 계산 온도는 상기 파워 소자의 파워 손실과 상기 NTC의 열저항을 곱하여 계산할 수 있다.
상기 NTC의 측정 온도와 계산 온도와의 차이가 제1설정값보다 크면, 상기 EWP에서 공급되는 냉각수량을 증가시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 NTC의 측정 온도와 계산 온도와의 차이가 상기 제1설정값보다 큰 제2설정값보다 크면, 운전자에게 경고 신호를 발생하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 NTC의 측정 온도와 계산 온도와의 차이가 상기 제2설정값보다 큰 제3설정값보다 크면, 상기 모터의 출력을 점차로 감소시켜 차량을 정지시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 인버터를 구성하는 반도체 소자의 온도에 따라 냉각수량을 조절하여 인버터를 효과적으로 보호할 수 있다.
또한, 냉각수량을 조절할 수 없는 경우에는 운전자에게 인버터 이상이 발생하였음을 경고하거나 배터리 전원을 디레이팅시켜 인버터가 파손되는 것을 방지하고 운전자의 안전을 보호할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전기 차량의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워 모듈의 온도를 계산하기 위한 로직을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전기 차량의 인버터 보호 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전기 차량의 구성을 도시한 블록도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워 모듈의 온도를 계산하기 위한 로직을 도시한 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 전기 차량은 전원을 공급하는 배터리(10), 상기 배터리(10)로부터 공급되는 전력을 스위칭하는 IGBT(22)(Insulated Gate Bipolar mode Transistor), 상기 배터리(10)로 역전류가 흐르는 것을 방지하는 다이오드(24) 및 NTC(Negative Temperature Coefficient) 온도 센서를 포함하는 인버터 파워 모듈(20), 상기 인버터 파워 모듈(20)로부터 공급된 전원으로부터 동력을 발생시키는 모터(30), 상기 인버터 파워 모듈(20)을 냉각시키도록 냉각수를 공급하는 EWP, 및 상기 인버터 파워 모듈(20)과 상기 모터(30), 및 상기 EWP를 제어하는 제어부(40)를 포함한다.
그리고 상기 인버터 파워 모듈(20)에 과도한 열이 발생하는 경우 운전자에게 경고를 발생하는 경고부(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 경고부(50)는 차량에 구비된 센터페시아에 경고 문자를 표시할 수 있도록 구비되거나, 경고음을 발생시키는 등 다양한 구성으로 구설될 수 있다.
상기 IGBT(22)는 배터리(10)로부터 공급되는 전력을 스위칭 하여 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 상기 모터(30)로 공급한다. 그리고 상기 다이오드(24)는 상기 배터리(10)로 역전류가 흐르지 않도록 하는 역전류 방지 기능을 수행한다.
상기 EWP(Electric Water Pump)는 상기 인버터 파워 모듈(20)을 냉각시키기 위한 것으로, 상기 인버터 파워 모듈(20)에 냉각수를 공급하여 인버터 파워 모듈(20)을 냉각시킨다.
상기 제어부(40)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 인버터 보호 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
상기 제어부(40)는, 상기 IGBT(22)와 다이오드(24)를 포함하는 파워 소자의 파워 손실을 계산한다.
전기 차량 내에서 구동 조건을 결정하는 입력 파라미터(예를 들면, 전류, 전압, 주파수)가 정해지면, 이에 따라 상기 IGBT(22) 및 다이오드(24)에서는 일정양의 전력 손실이 발생한다. 이때, 상기 IGBT(22) 및 다이오드(24)에서 발생하는 전력 손실은 전도(conduction) 시에 발생하는 손실과 전력 스위칭 시에 발생하는 손실로 나눌 수 있는데, 다음의 수학식을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure pat00001
여기서 PcondIGBT는 전도시 IGBT의 전력 손실량, T0는 초기 시간, VCEO는 전류가 1A일 때의 전압, r은 전압과 전류의 비율, w는 주파수, m은 전압 이용률, Φ는 전압과 전류의 위상차이다.
Figure pat00002
여기서 PswIGBT는 스위칭시 IGBT의 전력 손실량, Eon은 전원 on시의 에너지 손실량, Eoff은 전원 off시의 에너지 손실량, Inom은 공칭 전류, Vnom은 공칭 전압, T0는 초기 시간이다.
Figure pat00003
여기서 PcondDiode는 전도시 다이오드의 전력 손실량, VT0는 초기 시간에서의 전압이다.
Figure pat00004
여기서 PswIGBT는 스위칭시 다이오드의 전력 손실량, Erec는 다이오드의 회복 손실, Inom은 공칭 전류, Vnom은 공칭 전압, fsw는 스위칭 주파수이다.
상기 수학식 1 내지 4를 통해 계산된 IGBT와 다이오드의 전력 손실양을 모두 더하면 인버터 파워 모듈(20)에서 손실되는 파워량을 계산할 수 있다.
상기 제어부(40)는, 앞에서 계산된 파워 손실을 이용하여 상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항을 계산한다.
상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항은 상기 NTC 온도 센서(26)의 고유한 특성 및 냉각기기의 방열 특성에 따라 정해지기 때문에 실험에 의해 측정하는 것이 가장 정확하다. 상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항을 측정하기 위한 방법은 다음과 같다. 이러한 방법은, 상기 NTC 온도 센서(26)가 차량에 장착되기 전에 실험에 의해 측정된다.
차량의 주행 조건에 해당하는 입력 파라미터(예를 들면, 전류, 전압, 주파수)가 정해지고, 이에 따라 파워 손실이 발생하면 상기 NTC 온도 센서(26)의 온도는 열저항 특성을 가지면서 상승한다. 이때, 상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항 값이 포화되는 온도와 냉각수 온도의 차이(deltaT)를 구한다. 상기 deltaT는 실험에 의해 구해진 값으로 동일한 냉각수량에서는 열저항 값이 변하지 않지만, 냉각수량이 변하면 상기 인버터 파워 모듈(20)의 냉각 특성이 달라지기 때문에 열저항 값이 변동한다.
상기 NTC의 열저항 값은 다음의 수학식에 의해 계산된다.
Figure pat00005
다음으로, 상기 제어부(40)는 상기 NTC의 열저항으로부터 NTC의 온도를 계산한다. 여기서, 상기 NTC의 온도는 다음의 수학식으로부터 계산된다.
Figure pat00006
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 차량의 구동 조건을 결정하는 입력 파라미터(예를 들면, 전류, 전압, 주파수)로부터, 인버터 파워 모듈의 전력 손실을 계산하고, 계산된 전력 손실량과 NTC 온도 센서의 열저항 값과 냉각수 온도를 이용하여 NTC 온도 센서의 온도를 계산하게 된다.
그리고 상기 제어부(40)는 상기 NTC의 측정 온도와 상기 NTC의 계산 온도의 차이를 계산한다. 상기 NTC 온도 센서(26)는 상기 인버터 파워 모듈(20)에 구비되어 측정된 온도를 실시간으로 상기 제어부(40)에 제공한다.
상기 NTC의 측정 온도와 상기 NTC의 계산 온도의 차이(a)가 제1설정값보다 크면, 상기 인버터 파워 모듈(20)에 공급되는 냉각수량이 정상적이지 않은 것으로 판단할 수 있다. 따라서 상기 EWP를 통해 상기 인버터 파워 모듈(20)에 공급되는 냉각수량을 늘려 상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항을 낮추도록 한다. 상기 EWP에 의해 공급되는 냉각수량이 증가하면, 이에 비례하여 상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항 값도 떨어지므로, 상기 (a)값도 줄어들면, 정상 상태로 판단하여 EWP에 의해 공급되는 냉각수량을 유지하도록 한다.
그러나 상기 EWP에 의해 냉각수량을 증가시켜도, 상기 a값이 줄어들지 않고, 제2설정값(상기 제1설정값보다 큰 값으로 설정)보다 커지는 경우, 냉각 유로 상에서 발생한 문제가 심각한 것으로 판단할 수 있다. 이때는, 상기 경고부(50)를 통해 운전자에게 즉시 경고 신호를 발생시켜, 운전자에게 인버터 파워 모듈(20)을 수리할 것을 알려줄 수 있다.
만약, 상기 (a)값이 줄어들지 않고 계속 증가하여 제3설정값(상기 제2설정값보다 큰 값으로 설정된다)보다 커지면, 더 이상 상기 인버터 파워 모듈(20)을 보호할 수 없다고 판단한다. 그리고 상기 배터리(10)에서 공급되는 전원을 디레이팅(derating)시켜 상기 모터(30)의 토크를 지속적으로 줄여 차량을 안전한 곳으로 이동할 수 있도록 유도한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 전기 차량의 인버터 보호 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전기 차량의 인버터 보호 방법을 도시한 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(40)는, 상기 IGBT(22)와 다이오드(24)를 포함하는 파워 소자의 파워 손실을 계산한다(S10). 파워 소자의 파워 손실은 앞의 수학식 1 내지 4로부터 계산할 수 있다.
그리고 상기 제어부(40)는, 상기 S10단계에서 계산된 상기 파워 손실로부터 NTC 온도 센서(26)의 열저항을 계산한다(S20). 상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항은 앞의 수학식 5로부터 계산할 수 있다.
다음으로, 상기 제어부(40)는, 상기 S20단계에서 계산된 NTC 온도 센서(26)의 열저항으로부터 상기 NTC 온도 센서(26)의 온도를 계산한다(S30). 상기 NTC 온도 센서(26)의 온도는 앞의 수학식 6으로부터 계산할 수 있다.
그리고 상기 제어부(40)는, 상기 NTC 온도 센서(26)의 측정 온도와 상기 NTC 온도 센서(26)의 계산 온도의 차이(deltaT)를 계산하여, 제1설정값보다 큰지 여부를 판단한다(S40).
상기 deltaT가 제1설정값보다 작으면 정상 상태로 판단한다. 그러나 상기 deltaT가 제1설정값보다 크면, 상기 인버터 파워 모듈(20)에 공급되는 냉각수량이 정상적이지 않은 것으로 판단한다. 그리고 상기 EWP를 통해 상기 인버터 파워 모듈(20)에 공급되는 냉각수량을 늘려 상기 NTC 온도 센서(26)의 열저항을 낮추도록 한다(S50).
만약, 상기 deltaT가 제1설정값보다 큰 제2설정값보다 크면(S60), 냉각 유로 상에서 발생한 문제가 심각한 것으로 판단하고, 상기 경고부(50)를 통해 운전자에게 즉시 경고 신호를 발생한다(S70).
그리고 상기 deltaT가 제2설정값보다 큰 제3설정값보다 크면(S80), 상기 배터리(10)에서 공급되는 전원을 디레이팅(derating)시켜 상기 모터(30)의 토크를 지속적으로 줄여 차량을 안전한 곳으로 이동할 수 있도록 유도한다(S90).
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 배터리
20: 인버터 파워 모듈
22: IGBT
24: 다이오드
26: NTC 온도 센서
30: 모터
40: 제어부
50: 경고부

Claims (7)

  1. 전원을 공급하는 배터리;
    상기 배터리로부터 공급되는 전력을 스위칭하는 IGBT, 상기 배터리로 역전류가 흐르는 것을 방지하는 다이오드 및 NTC를 포함하는 인버터 파워 모듈;
    상기 인버터 파워 모듈로부터 공급된 전원으로부터 동력을 발생시키는 모터;
    상기 인버터 파워 모듈을 냉각시키도록 냉각수를 공급하는 EWP; 및
    상기 인버터 파워 모듈과 상기 모터, 및 상기 EWP를 제어하는 제어부를 포함하는 전기 차량의 인버터 보호 방법에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 IGBT와 다이오드를 포함하는 파워 소자의 파워 손실을 계산하는 단계;
    상기 파워 손실로부터 NTC 온도 센서의 열저항을 계산하는 단계;
    상기 NTC 온도 센서의 열저항으로부터 NTC 온도 센서의 온도를 계산하는 단계; 및
    상기 NTC 온도 센서의 측정 온도와 상기 NTC 온도 센서의 계산 온도의 차이를 계산하는 단계;
    를 포함하는 일련의 명령을 수행하는 전기 차량의 인버터 보호 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 IGBT와 다이오드의 파워 손실은 IGBT와 다이오드의 전도 상황과 스위칭 상황에서 발생하는 파워 손실을 포함하여 계산하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 인버터 보호 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 NTC의 열저항은 상기 파워 소자의 온도 상승에 의해 상기 NTC의 온도가 포화될 때의 온도에서 상기 EWP에서 공급되는 냉각수의 온도와의 차이를 상기 파워 소자의 파워 손실로 나누어 계산하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 인버터 보호 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 NTC의 계산 온도는 상기 파워 소자의 파워 손실과 상기 NTC의 열저항을 곱하여 계산하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 인버터 보호 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 NTC의 측정 온도와 계산 온도와의 차이가 제1설정값보다 크면,
    상기 EWP에서 공급되는 냉각수량을 증가시키는 단계;
    를 더 포함하는 전기 차량의 인버터 보호 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 NTC의 측정 온도와 계산 온도와의 차이가 상기 제1설정값보다 큰 제2설정값보다 크면,
    운전자에게 경고 신호를 발생하는 단계;
    를 더 포함하는 전기 차량의 인버터 보호 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 NTC의 측정 온도와 계산 온도와의 차이가 상기 제2설정값보다 큰 제3설정값보다 크면,
    상기 모터의 출력을 점차로 감소시켜 차량을 정지시키는 단계;
    를 더 포함하는 전기 차량의 인버터 보호 방법.
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