KR20160122351A - 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치 - Google Patents

전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치에 관한 것으로, 전기 자동차용 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부와, 상기 배터리와 상기 충전부의 연결을 단속하는 메인 릴레이와, 상기 충전부에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 상기 충전부에 저장된 직류 전원을 강제 방전시키는 방전부와, 상기 충전부와 상기 인버터부 사이에 연결되어, 제어 신호에 따라 상기 충전부와 상기 인버터부 또는 상기 방전부에 선택적으로 연결되도록 스위칭하는 스위치부와, 상기 충전부의 출력 전압을 검출하는 직류 링크 전압검출부와, 상기 메인 릴레이가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 직류 링크 전압검출부로부터 검출된 출력 전압값이 기설정된 기준 전압값보다 클 경우, 상기 인버터부의 구동 전원 인가 가능여부에 따라 상기 스위치부의 동작을 제어하는 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부를 포함함으로써, 인버터부의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지에 의한 운전자 또는 작업자의 감전 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치{FORCE DISCHARGING DEVICE OF INVERTER FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차용 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 자동차에서 시동을 끄거나 고장 감지 등의 이유로 메인 릴레이가 오프(OFF) 된 경우, 운전자와 작업자의 안전을 위하여 인버터부의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지를 강제로 방전시키도록 한 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치에 관한 것이다.
최근 환경문제 특히 지구온난화와 기후변화에 대한 관심이 높아지고 다수의 국가가 이산화탄소 배출량 감축에 대한 기후변화협약을 이행하기 위한 논의를 진행되었으며, 이러한 논의에서 지구온난화의 원인은 이산화탄소 발생의 증가이며 이산화탄소의 증가는 자동차에서 내뿜는 탄소가 주범으로 지적된 바가 있다.
탄소배출 규제 정책에 따라 자동차 업계에 석유를 기반으로 한 자동차는 연료 효율을 높이고 탄소 배출 감소를 요구하게 되었으며, 이에 전기에 의해 자동차를 거동시키고, 배기가스를 발생시키지 않는 하이브리드 자동차(Hybrid Vehicle, HV) 또는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV) 등의 친환경 자동차(xEV)가 다양한 형태로 개발되고 있으며, 수요 또한 급속히 증가하고 있는 실정이다.
이러한 친환경 자동차(xEV)의 구동 모터와 HSG(Hybrid Starter Generator)를 구동하는 인버터(Inverter)의 직류단에는 메인 배터리로부터 전력을 안정적으로 공급받기 위한 대용량 커패시터가 탑재되어 있다.
상기 대용량 커패시터는 공급되는 전력의 노이즈(Noise) 및 리플(Rifle) 등을 억제하여 전압변동을 감쇠시키는 역할을 한다. 친환경 자동차(xEV)가 키 온(Key ON) 상태가 되면 메인 배터리의 메인 릴레이가 같이 온(ON)이 되어 대용량 커패시터에 고전압이 충전되며, 그 결과 인버터나 저전압 직류 변환기(Low voltage DC/DC Converter, LDC)는 일정한 직류(DC) 전압으로 구동할 수 있게 된다.
하지만, 친환경 자동차(xEV)의 고장상황이나 자동차 키 오프(Key OFF) 상황에서는 메인 배터리의 메인 릴레이가 오프(OFF) 되므로 대용량 커패시터에 차 있는 에너지가 서서히 방전되기 시작한다. 이 상태에서 아무런 조치를 취하지 않고 자연 방전이 되길 기다릴 경우 방전 시간이 길어져 고전압에 의한 위험을 초래할 수 있는 문제점들이 있다.
이러한 문제점들을 예를 들면 다음과 같다.
첫째, 사용자가 키 오프(Key OFF) 이후 바로 차량 보닛(Bonnet)을 열고, 고전압 라인(Line)을 제어기에서 분리할 경우, 고전압에 의한 위험을 초래할 수 있다(Ignition(IG) OFF시).
둘째, 에어백(Airbag)이 작동할 정도의 외부로부터 큰 충돌이 일어나 고전압 커넥터가 제어기로부터 분리되어 차체 혹은 다른 면에 접촉될 경우, 고전압에 의한 위험을 초래할 수 있다(에어백 신호시).
셋째, 시동이 켜 있는 상태에서 사용자가 고전압 커넥터를 제어기로부터 분리할 경우, 고전압에 의한 위험을 초래할 수 있다(인터락 해제시).
따라서, 친환경 자동차(xEV)의 고장상태나 정상적인 IG OFF 상황에서 메인 배터리로부터 형성된 고전압을 최대한 빠르게 강제 방전을 시켜, 고전압으로 인한 2차적인 위험요소를 제거하는 방안이 절실히 요구된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 차량 키-오프(Key-off)시 고전압 안전을 위하여 직류 링크 전압을 빠르게 강제 방전시키도록 시멘트 저항을 직류 링크 단에 연결하여 강제 방전시켰지만, 시멘트 저항자체에 상시 발열 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 상기 시멘트 저항의 자체 소모발열량에 대한 계산 예를 보면, 배터리전압 : 150V, 시멘트 저항 R=10kΩ이므로, P=2.25W가 소모되는 단점이 있다. 이에, 상기 시멘트 저항의 내부 발열에 대한 방열 설계가 필요하여, 시멘트 저항에 별도의 방열판을 연결하여 시멘트 저항의 발열을 전동기 제어장치(Motor Control Unit, MCU) 케이스로 열전도시키는 구조를 적용함과 함께 상기 시멘트 저항을 고전압 배터리 쪽과 링 터미널을 이용하여 연결함에 따라, 전동기 제어장치(MCU)의 제작비가 상승하는 동시에 중량이 크게 상승되는 단점도 있다.
상기와 같은 단점을 극복하기 위하여, 인버터를 이용하여 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호의 제어를 통해 인버터의 직류단 커패시터에 충전되어 있는 전기 에너지를 배터리에 방전시키는 기술이 제안되었다.
그러나, 상기와 같은 직류 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 직류 링크 전압을 방전시킬 수 있는 기술의 필요성이 대두되었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기 자동차에서 시동을 끄거나 고장 감지 등의 이유로 메인 릴레이가 오프(OFF)된 경우, 운전자와 작업자의 안전을 위하여 인버터부의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지를 강제로 방전시킴으로써, 인버터부의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지에 의한 운전자 또는 작업자의 감전 사고를 미연에 방지할 수 있도록 한 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 인버터부가 전동기의 구동 전원을 생성할 수 없거나 이를 전동기에 전달할 수 없는 경우를 판단하여, 그러한 상황에서도 인버터부의 직류단 커패시터에 남아있는 전압을 적절히 방전시켜 인버터부의 안정성을 더욱 확보할 수 있도록 한 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 전기 자동차용 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부; 상기 배터리와 상기 충전부의 연결을 단속하는 메인 릴레이; 상기 충전부에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부; 상기 충전부에 저장된 직류 전원을 강제 방전시키는 방전부; 상기 충전부와 상기 인버터부 사이에 연결되어, 제어 신호에 따라 상기 충전부와 상기 인버터부 또는 상기 방전부에 선택적으로 연결되도록 스위칭하는 스위치부; 상기 충전부의 출력 전압을 검출하는 직류 링크 전압검출부; 및 상기 메인 릴레이가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 직류 링크 전압검출부로부터 검출된 출력 전압값이 기설정된 기준 전압값보다 클 경우, 상기 인버터부의 구동 전원 인가 가능여부에 따라 상기 스위치부의 동작을 제어하는 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부를 포함하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 구동 전원 인가가 불가능한 경우, 상기 스위치부의 상태를 상기 방전부로 전환되도록 제어하여, 상기 충전부에 저장된 직류 전원을 강제 방전시킴이 바람직하다.
바람직하게, 상기 인버터부의 구동 전원 인가가 불가능한 경우는, 전원 모듈의 고장 신호가 감지된 경우와, 상기 인버터부와 전동기간에 전선 연결 상태의 고장이 감지된 경우와, 전원 모듈 구동 회로의 고장이 감지된 경우와, 상기 경우들에 포함되지 않아 상기 인버터부의 구동 전원 지령을 생성한 후, 기설정된 시간동안 상기 직류 링크 전압검출부로부터 검출된 출력 전압값의 감소량이 기설정된 기준값보다 적은 경우 중 적어도 하나의 경우에 해당할 수 있다.
바람직하게, 상기 방전부는, 저항, 다이오드, 인덕터 또는 트랜지스터 중 적어도 하나의 반도체 소자로 이루어지거나 이들의 조합하여 의해 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 인버터 제어부를 제어하며, 전기 자동차의 시동 또는 고장 감지 여부에 따라 상기 메인 릴레이의 온/오프(ON/OFF) 동작을 제어하는 메인 제어부가 더 포함될 수 있다.
바람직하게, 상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 구동 전원 인가가 가능한 경우, 상기 인버터부의 전류제어 가능여부에 따라 상기 충전부에 저장된 직류 전원의 강제 방전을 위한 전류지령 또는 전압지령을 상기 인버터부에 인가할 수 있다.
바람직하게, 상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 전류제어가 가능한 경우, 기설정된 동기좌표계 d축 전류지령 설정값을 통해 상기 인버터부에 전류지령을 인가하여 상기 충전부에 저장된 직류 전원이 방전되도록 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 동기좌표계 d축 전류지령의 크기는, 전기 자동차의 구동시 상기 충전부의 전압범위 및 방전시간을 고려하여 결정될 수 있다.
바람직하게, 상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 전류제어가 불가능한 경우, 기설정된 동기좌표계 또는 정지좌표계 d축 전압지령 설정값을 통해 상기 인버터부에 전압지령을 인가하여 상기 충전부에 저장된 직류 전원이 방전되도록 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 동기좌표계 또는 정지좌표계 d축 전압지령이 크기는, 상기 충전부의 전압범위, 방전시간 및 상기 전동기의 임피던스를 고려하여 결정될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치에 따르면, 전기 자동차에서 시동을 끄거나 고장 감지 등의 이유로 메인 릴레이가 오프(OFF)된 경우, 운전자와 작업자의 안전을 위하여 인버터부의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지를 강제로 방전시킴으로써, 인버터부의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지에 의한 운전자 또는 작업자의 감전 사고를 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 인버터부가 전동기의 구동 전원을 생성할 수 없거나 이를 전동기에 전달할 수 없는 경우를 판단하여, 그러한 상황에서도 인버터부의 직류단 커패시터에 남아있는 전압을 적절히 방전시켜 인버터부의 안정성을 더욱 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치의 동작을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 또한, 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 방법은, 전기 자동차에서 시동을 끄거나 고장 감지될 경우, 메인 릴레이의 상태를 확인한다(S10). 즉, 메인 제어부(Engine Control Unit, ECU)는 상기 메인 릴레이의 상태가 온(ON) 상태인지 여부를 판단한다.
이후에, 상기 메인 제어부(ECU)는 상기 메인 릴레이의 상태가 온(ON) 상태이면, 상기 메인 릴레이의 상태를 오프(OFF) 상태로 변경한다(S20).
한편, 상기 메인 제어부(ECU)는 상기 메인 릴레이의 상태가 오프(OFF) 상태이면, 인버터 제어부(Inverter Controller)는 인버터(Inverter)의 직류단 커패시터에 저장된 전압값(Vdc)이 기설정된 기준 전압값(Vset1)(Vset1은 강제방전 수행 여부판단을 위하여 미리 설정된 값임)보다 큰지를 판단한다(S30).
만약, 상기 단계 S30의 판단 결과, 상기 인버터의 직류단 커패시터에 저장된 전압값(Vdc)이 기설정된 기준 전압값(Vset1)보다 클 경우, 상기 인버터 제어부는 인버터의 전류 제어가 가능한지 여부를 판단한다(S40).
즉, 상기 인버터 제어부는 인버터 내에 포함된 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 정상 동작이 가능한지, 아니면 센서 등의 고장으로 인해 상기 IGBT의 정상 동작이 불가능한지 여부를 판단한다.
이후, 상기 단계 S40의 판단 결과, 상기 인버터의 전류 제어가 불가능하면, 상기 인버터 제어부는 상기 인버터에 동기 좌표계 또는 정지 좌표계의 d축 전압 지령값(Vset2)을 발생하여, 상기 인버터의 직류단 커패시터에 저장된 전압을 강제 방전시킨다(S50).
한편, 상기 단계 S40의 판단 결과, 상기 인버터의 전류 제어가 가능하면, 상기 인버터 제어부는 상기 인버터에 동기 좌표계의 d축 전류 지령값(Iset)을 발생하여, 상기 인버터의 직류단 커패시터에 저장된 전압을 강제 방전시킨다(S60). 상기 동기 좌표계는 회전자가 만드는 자속의 축에서 바라본 좌표계이다.
그러나, 전술한 종래의 기술에 따른 강제 방전 로직은 인버터가 전동기에 전원을 인가할 수 있는 조건을 전제로 한다. 하지만, 파워 스위칭 소자의 고장, 파워 스위칭 소자의 구동 회로의 고장 등의 원인으로 인해 인버터가 전동기에 전원을 인가할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우 적절한 강제 방전 수행이 불가능하여 인버터의 안전성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전기 자동차에서 시동을 끄거나 고장 감지 등의 이유로 메인 릴레이가 오프(OFF)된 경우, 운전자와 작업자의 안전을 위하여 인버터의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지를 강제로 방전시킴으로써, 인버터의 직류단 커패시터에 남아 있는 에너지에 의한 운전자 또는 작업자의 감전 사고를 미연에 방지할 수 있는 특징적인 기술이다.
즉, 본 발명은 전동기로 인버터가 구동 전원을 인가할 수 없는 경우에도 스위치부와 강제 방전부를 통하여 전류 경로를 만들어 직류단 커패시터의 잔류 전압을 강제 방전시킴으로써, 인버터의 안정성을 효과적으로 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치는, 크게 전동기(100), 배터리(200), 충전부(300), 메인 릴레이(400), 인버터부(500), 강제 방전부(600), 스위치부(700), 직류 링크 전압검출부(800), 인버터 제어부(900) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 전동기(100)는 전기 자동차의 동력을 제공하는 모터(Motor)로서, 인버터부(500)를 통해 출력되는 교류(AC) 전원에 의해 구동된다. 이러한 전동기(100)는 고정자와 회전자를 구비하며, 각 상(U상, V상, W상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각 상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 한편, 전동기(100)는 예컨대, BLDC 전동기, synRM 전동기 등 3상 전동기로 구현됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 다양한 형태가 가능하다.
배터리(200)는 전동기(100)의 구동 전원을 공급하는 에너지 저장 수단으로서, 전력 변환기(미도시)로부터 출력된 충전 전원에 따라 충전되고, 구동 전원을 공급하는 기능을 수행한다.
상기 전력 변환기는 외부의 전력공급부(미도시)로부터 공급되는 전력을 변환 및 변압하여 배터리(200)를 충전하는 기능을 수행하는 바, 외부로부터 입력되는 교류/직류(AC/DC) 전원을 배터리(200)에 충전되도록 직류(DC) 전원으로 변환하여 출력한다.
이때, 상기 전력공급부는, 일반적으로 전기를 생산 및 공급하는 전력공사와 같은 계통(Grid)과, 상기 계통 이외에 전기를 생산 및/또는 공급할 수 있는 수단을 포함하여 상기 전력 변환기로 전기를 공급할 수 있는 모든 전력 공급원을 포함하는 의미로 사용된다.
예를 들어, 상기 전력 변환기는 계통, 상기 계통으로부터 생산된 전기를 공급받아 철도 또는 도시철도에 전기를 공급하는 사업자들 및 소수력(Small Hydropower), 태양광(PhotoVoltaic; PV), 태양열(Solar Thermal), 풍열(Wind Power), 폐기물 에너지(Waste Energy), 바이오 에너지(Bio Energy), 지열(Geo Thermal), 해양 에너지(Ocean Energy) 등과 같은 신재생에너지로부터 발생되는 전기를 공급하는 신재생 에너지 처리시스템 중 적어도 하나 이상이 포함된 전력공급부로부터 전기를 공급받을 수 있다.
이러한 상기 전력 변환기는 예컨대, AC/DC 컨버터(Converter) 또는 DC/DC 컨버터 등으로 이루어짐이 바람직하다. 상기 AC/DC 컨버터는 입력된 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하는 바, 입력 교류 전압을 정류하는 정류부와, 적어도 하나의 인덕터(Inductor), 스위치, 다이오드(Diode) 및 커패시터(Capacitor) 등으로 구성된 LC 필터 등을 포함할 수 있다.
상기 DC/DC 컨버터는 다수의 스위치의 위상을 조절하여, 전기 자동차의 메인 배터리인 고전압 배터리(High Voltage Battery) 또는 보조 배터리인 저전압 배터리(Low Voltage Battery)를 충전하기 위한 충전 전압을 생성한다. 상기 DC/DC 컨버터에 의해 생성된 충전 전압은 고전압 배터리 또는 저전압 배터리로 전달된다.
한편, 상기 DC/DC 컨버터는, 고전압 배터리에 입/출력되는 전압을 변환하는 양방향 고전압 DC/DC 컨버터(Bi-directional High Voltage DC/DC Converter, BHDC) 또는 저전압 배터리에 충전함과 아울러 차량의 각종 전장 부하들(예컨대, 헤드 램프, 와이퍼 및 블로워 등)에 전력을 전달하는 저전압 DC/DC 컨버터(Low Voltage DC/DC Converter) 등으로 이루어질 수 있다.
이러한 배터리(200)는 전기 자동차의 전동기 구동에 사용되는 고전압 배터리 또는 차량의 각종 전장 부하들에 전력을 공급하는 저전압 배터리로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 각종 전자 장치에서 통상적으로 전기 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 수단으로 이루어질 수도 있다.
충전부(300)는 배터리(200)로부터 출력된 직류 전원의 에너지를 저장하는 기능을 수행하는 바, 배터리(200)의 직류 전원을 평활하게 즉, 직류 전원의 전압을 보다 더 직류에 가깝게 유지시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 충전부(300)는 입력되는 직류 전원을 평활하는 적어도 하나 이상의 커패시터(Capacitor)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 충전부(300)는, 그 일단이 배터리(200)의 양극 출력단에 연결되고, 그 타단이 배터리(200)의 음극 출력단에 연결된 직류 링크 커패시터(DC Link Capacitor)로 이루어질 수 있다.
상기 직류 링크 커패시터는 배터리(200)에 접속되어 에너지를 축적하기 위한 전해 콘덴서로 구현됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 다른 종류의 콘덴서나 축전지 등으로 구현될 수도 있다.
메인 릴레이(400)는 배터리(200)와 충전부(300)의 연결을 단속하는 스위치로서, 배터리(200)와 충전부(300)사이 또는 배터리(200)와 인버터부(500)사이에 배치되어 있으며, 배터리(200)로부터 인버터부(500)로 공급되는 직류 전원을 단속하는 기능을 수행한다.
즉, 메인 릴레이(400)는 메인 제어부(1000)의 제어 신호에 따라 배터리(200)로부터 출력되는 구동 전원이 충전부(300)에 투입 또는 차단되도록 온/오프(ON/OFF) 스위칭(Switching)하는 기능을 수행한다.
인버터부(500)는 충전부(300)에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환기로서, 배터리(200)로부터 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 기능을 수행한다.
이러한 인버터부(500)는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환시켜 전동기(100)로 구동 전류를 공급하는 기능을 수행하는 바, 인버터 제어부(900)로부터 제공되는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호에 따라 전동기(100)를 펄스폭 변조(PWM) 제어한다.
즉, 인버터부(500)는 인버터 제어부(900)로부터 수신되는 펄스폭 변조(PWM) 신호에 따라, 인버터부(500)에 구비되는 다수의 반도체 스위칭 소자를 스위칭하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 전동기(100)에 교류 전류를 공급하여 전동기(100)의 구동을 펄스폭 변조(PWM) 제어한다.
이러한 인버터 제어부(900)로부터의 스위칭 제어 신호 즉, 펄스폭 변조(PWM) 신호가 각 반도체 스위칭 소자의 게이트(gate) 단자에 입력되면, 각 반도체 스위칭 소자는 스위칭 동작을 수행한다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 3상 교류 전원이 출력되게 된다. 이렇게 인버터부(500)에서 출력되는 3상 교류 전원은 전동기(100)의 각 상(U상, V상, W상)에 인가된다.
여기서, 상기 펄스폭 변조(PWM) 제어라 함은, 인버터부(500)가 상기 펄스폭 변조(PWM) 신호에 따라 전동기(100)에 공급하는 전동기 전류를 제어하는 것을 나타내며, 전동기 전류는 전동기(100)에 흐르는 전류를 나타낸다.
그리고, 상기 반도체 스위칭 소자는 게이트(Gate) 제어에 의해 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off) 제어되는 반도체 스위치로 구성될 수 있으며, 예컨대, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), SCR(Silcon Coupled Rectifier), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 구성될 수 있다.
이러한 인버터부(500)는 6개의 반도체 스위칭 소자를 3상 풀 브릿지(Full Bridge) 접속하여 직류 모선 전압을 3상 교류로 변환하고 이 3상 교류를 전동기(100)에 공급하는 것으로, 통상의 스위칭 회로이다.
즉, 인버터부(500)는 복수개의 인버터용 반도체 스위칭 소자를 구비하고, 반도체 스위칭 소자의 온/오프(ON/OFF) 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 3상 교류 전원으로 변환하여 출력한다.
이를 구체적으로 설명하면, 서로 직렬 연결되는 상암 반도체 스위칭 소자 및 하암 반도체 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상암 및 하암 반도체 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결된다. 각 반도체 스위칭 소자에는 다이오드(diode)가 역병렬로 연결된다.
즉, U상 아암은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터로 구성되어 있고, V상 아암은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터로 구성되어 있으며, W상 아암은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터로 구성되어 있다. 상기 NPN 트랜지스터의 각각의 콜렉터(collector)들과 이미터(emitter)들 사이에는, 이미터로부터 콜렉터로 전류를 흐르게 하기 위한 다이오드가 각각 연결되어 있다.
강제 방전부(600)는 충전부(300)에 저장된 직류 전원을 강제 방전시키는 기능을 수행하는 것으로서, 적어도 하나의 저항으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 저항, 다이오드, 인덕터 또는 트랜지스터 중 적어도 하나의 반도체 소자로 이루어지거나 이들의 조합하여 의해 구성될 수도 있다.
이러한 강제 방전부(600)는 방전 시간을 고려하여 그 임피던스의 값을 결정할 수 있다.
스위치부(700)는 충전부(300)와 인버터부(500) 사이에 연결되어 있으며, 인버터 제어부(900) 또는 메인 제어부(1000)의 제어 신호에 따라 충전부(300)와 인버터부(500) 또는 강제 방전부(600)에 선택적으로 연결되도록 스위칭하는 기능을 수행한다.
즉, 스위치부(700)는 정상시에 파워 모듈로 연결되는 경로 즉, 인버터부(500)로 온(ON)되어 있고, 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 불가능한 경우 또는 온(ON) 상태를 유지하는 명령 신호가 없을 시 오프(OFF) 즉, 강제 방전부(600)로 연결되도록 구성함이 바람직하다.
이러한 스위치부(700)는 인버터 제어부(900) 또는 메인 제어부(1000)의 제어 신호에 따라 인버터부(500) 또는 강제 방전부(600)에 선택적으로 스위칭하는 기능을 수행하는 바, 예컨대, 전자/기계적으로 전류를 통하게 하거나 차단하는 전력 기기나 MOSFET, IGBT, NPN형 트랜지스터 등의 전력 스위치 소자로 구현될 수 있다.
직류 링크 전압검출부(800)는 충전부(300)의 출력 전압을 검출하는 기능을 수행한다. 이러한 직류 링크 전압검출부(800)는 충전부(300)의 출력단과 인버터 제어부(900)의 A/D 입력단자 사이에 회로 구성되어, 충전부(300)의 양단에 인가되는 직류 전원을 검출하며, 획득된 검출 신호는 인버터 제어부(900)의 A/D 입력단자에 입력한다.
여기서, 직류 링크 전압검출부(800)에 의해 검출된 직류 전원에 대한 아날로그 감지신호는, 상기 A/D 입력단자로 입력된 후 인버터 제어부(900)에 의해 디지털 변환되어 상기 직류 전원에 대한 직류 전압 값으로 측정되며, 측정된 직류 전압 값은 이후에 충전부(300)의 강제 방전 여부를 판단하기 위한 기본 데이터로 이용된다.
인버터 제어부(900)는 충전부(300), 스위치부(700), 직류 링크 전압검출부(800) 등의 동작을 전체적으로 제어하는 바, 특히 인버터부(500)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 특정 스위칭 제어신호를 인버터부(500)에 출력한다. 상기 특정 스위칭 제어신호는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)용 스위칭 제어신호로서, 직류 링크 전압검출부(800)로부터 검출되는 충전부(300)의 출력 전압을 기초로 생성되어 인버터부(500)에 출력한다.
즉, 인버터 제어부(900)는 인버터부(500)에 구비된 ６개 스위칭 소자의 온/오프(ON/OFF)를 제어하고, 임의 전압 및 임의 주파수의３상 교류를 만들어 내는 것으로, 이는 펄스폭 변조(PWM) 제어를 사용한 일반적 방식으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
특히, 인버터 제어부(900)는 메인 릴레이(400)가 오프(OFF)된 상태에서, 직류 링크 전압검출부(800)로부터 검출된 출력 전압값(Vdc)이 기설정된 기준 전압값(Vset1)보다 클 경우, 인버터부(500)의 구동 전원 인가 가능여부에 따라 스위치부(700)의 동작을 제어하는 제어 신호를 출력하는 기능을 수행한다.
또한, 인버터 제어부(900)는 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 불가능한 경우, 스위치부(700)의 상태를 강제 방전부(600)로 전환되도록 제어하여, 강제 방전부(600)로 전류의 경로를 만들어 충전부(300)에 저장된 직류 전원을 강제 방전시킬 수 있다.
이때, 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 불가능한 경우는, 전원 모듈의 고장 신호가 감지된 경우와, 인버터부(500)와 전동기(100)간에 전선 연결 상태의 고장이 감지된 경우와, 전원 모듈 구동 회로의 고장이 감지된 경우와, 상기 경우들에 포함되지 않아 인버터부(500)의 구동 전원 지령을 생성한 후, 기설정된 시간동안 직류 링크 전압검출부(800)로부터 검출된 출력 전압값의 감소량이 기설정된 기준값보다 적은 경우 중 적어도 하나의 경우에 해당할 수 있다.
또한, 인버터 제어부(900)는 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 가능한 경우, 인버터부(500)의 전류제어 가능여부에 따라 충전부(300)에 저장된 직류 전원의 강제 방전을 위한 전류지령 또는 전압지령을 인버터부(500)에 인가할 수 있다.
즉, 인버터 제어부(900)는 인버터부(500)의 전류제어가 가능한 경우, 기설정된 동기좌표계 d축 전류지령 설정값을 통해 인버터부(500)에 전류지령을 인가하여 충전부(300)에 저장된 직류 전원이 방전되도록 제어할 수 있다.
이때, 상기 동기좌표계 d축 전류지령의 크기는, 전기 자동차의 구동시 충전부(300)의 전압범위 및 방전시간 등을 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 인버터 제어부(900)는 인버터부(500)의 전류제어가 불가능한 경우, 기설정된 동기좌표계 또는 정지좌표계 d축 전압지령 설정값을 통해 인버터부(500)에 전압지령을 인가하여 충전부(300)에 저장된 직류 전원이 방전되도록 제어할 수 있다.
이때, 상기 동기좌표계 또는 정지좌표계 d축 전압지령이 크기는, 충전부(300)의 전압범위, 방전시간 및 전동기(100)의 임피던스 등을 고려하여 결정될 수 있다.
추가적으로, 인버터 제어부(900)를 제어하며, 전기 자동차의 시동 또는 고장 감지 여부에 따라 메인 릴레이(400)의 온/오프(ON/OFF) 동작을 제어하는 메인 제어부(Engine Control Unit, ECU)(1000)가 더 포함될 수 있다.
이하에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치의 동작에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치의 동작을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 강제 방전 로직은, 전기 자동차에서 시동을 끄거나 고장 감지될 경우, 메인 릴레이(400)의 상태를 확인한다(S100). 즉, 메인 제어부(ECU)(1000)를 통해 메인 릴레이(400)의 상태가 온(ON) 상태인지 여부를 판단한다.
이후에, 메인 제어부(ECU)(1000)에서는 메인 릴레이(400)의 상태가 온(ON) 상태이면, 메인 릴레이(400)의 상태를 오프(OFF) 상태로 변경한다(S200).
한편, 메인 제어부(ECU)(1000)에서는 메인 릴레이(400)의 상태가 오프(OFF) 상태이면, 인버터 제어부(900)를 통해 직류 링크 전압검출부(800)로부터 검출되는 충전부(300)의 출력 전압값(Vdc)이 기설정된 기준 전압값(Vset1)보다 큰지를 판단한다(S300).
이때, 상기 기설정된 기준 전압값(Vset1)은, 충전부(300)에 저장된 직류 전원의 강제 방전 수행 여부 판단을 위한 설정값으로서, 강제 방전을 통해 낮춰야하는 충전부(300) 전압의 목표 설정값이며, 배터리(200), 충전부(300) 및 인버터부(500) 등의 설계 조건에 따라 변경될 수 있다.
만약, 상기 단계 S300의 판단 결과, 충전부(300)에 저장된 전압값 즉, 직류 링크 전압검출부(800)로부터 검출되는 충전부(300)의 출력 전압값(Vdc)이 기설정된 기준 전압값(Vset1)보다 클 경우, 인버터 제어부(900)를 통해 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 가능한지를 판단한다(S400).
상기 단계 S400의 판단 결과, 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 불가능한 경우, 인버터 제어부(900)를 통해 스위치부(700)의 상태를 강제 방전부(600)로 전환되도록 제어하여(S500), 강제 방전부(600)로 전류의 경로를 만들어 충전부(300)에 저장된 직류 전원을 강제 방전시킨다(S600).
이때, 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 불가능한 경우는, 전원 모듈의 고장 신호가 감지된 경우와, 인버터부(500)와 전동기(100)간에 전선 연결 상태의 고장이 감지된 경우와, 전원 모듈 구동 회로의 고장이 감지된 제3 경우와, 상기 경우들에 포함되지 않아 인버터부(500)의 구동 전원 지령을 생성한 후, 기설정된 시간동안 직류 링크 전압검출부(800)로부터 검출된 출력 전압값의 감소량이 기설정된 기준값보다 적은 경우 중 적어도 하나의 경우에 해당할 수 있다.
한편, 상기 단계 S400의 판단 결과, 인버터부(500)의 구동 전원 인가가 가능한 경우, 인버터 제어부(900)를 통해 인버터부(500)의 전류 제어가 가능한지 여부를 판단한다(S700).
즉, 인버터 제어부(900)는 인버터부(500) 내에 포함된 반도체 스위칭 소자의 정상 동작이 가능한지, 아니면 센서 등의 고장으로 인해 상기 반도체 스위칭 소자의 정상 동작이 불가능한지 여부를 판단한다.
이후에, 상기 단계 S700의 판단 결과, 인버터부(500)의 전류 제어가 불가능하면, 인버터 제어부(900)를 통해 인버터부(500)에 기계적 출력에 기여하지 않는 기설정된 동기 좌표계 또는 정지 좌표계의 d축 전압 지령값(Vset2)을 발생하여, 충전부(300)에 저장된 직류 전압을 강제 방전시킨다(S800).
한편, 상기 단계 S700의 판단 결과, 인버터부(500)의 전류 제어가 가능하면, 인버터 제어부(900)를 통해 인버터부(500)에 기계적 출력에 기여하지 않는 기설정된 동기 좌표계의 d축 전류 지령값(Iset)을 발생하여, 충전부(300)에 저장된 직류 전압을 강제 방전시킨다(S900).
전술한 본 발명에 따른 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치에 대한 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 발명에 속한다.
100 : 전동기, 200 : 배터리,
300 : 충전부, 400 : 메인 릴레이,
500 : 인버터부, 600 : 강제 방전부,
700 : 스위치부, 800 : 직류 링크 전압검출부,
900 : 인버터 제어부, 1000 : 메인 제어부

Claims (10)

  1. 전기 자동차용 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부;
    상기 배터리와 상기 충전부의 연결을 단속하는 메인 릴레이;
    상기 충전부에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부;
    상기 충전부에 저장된 직류 전원을 강제 방전시키는 방전부;
    상기 충전부와 상기 인버터부 사이에 연결되어, 제어 신호에 따라 상기 충전부와 상기 인버터부 또는 상기 방전부에 선택적으로 연결되도록 스위칭하는 스위치부;
    상기 충전부의 출력 전압을 검출하는 직류 링크 전압검출부; 및
    상기 메인 릴레이가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 직류 링크 전압검출부로부터 검출된 출력 전압값이 기설정된 기준 전압값보다 클 경우, 상기 인버터부의 구동 전원 인가 가능여부에 따라 상기 스위치부의 동작을 제어하는 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부를 포함하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 구동 전원 인가가 불가능한 경우, 상기 스위치부의 상태를 상기 방전부로 전환되도록 제어하여, 상기 충전부에 저장된 직류 전원을 강제 방전시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 인버터부의 구동 전원 인가가 불가능한 경우는,
    전원 모듈의 고장 신호가 감지된 경우와,
    상기 인버터부와 전동기간에 전선 연결 상태의 고장이 감지된 경우와,
    전원 모듈 구동 회로의 고장이 감지된 경우와,
    상기 경우들에 포함되지 않아 상기 인버터부의 구동 전원 지령을 생성한 후, 기설정된 시간동안 상기 직류 링크 전압검출부로부터 검출된 출력 전압값의 감소량이 기설정된 기준값보다 적은 경우 중 적어도 하나의 경우에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 방전부는, 저항, 다이오드, 인덕터 또는 트랜지스터 중 적어도 하나의 반도체 소자로 이루어지거나 이들의 조합하여 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부를 제어하며, 전기 자동차의 시동 또는 고장 감지 여부에 따라 상기 메인 릴레이의 온/오프(ON/OFF) 동작을 제어하는 메인 제어부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 구동 전원 인가가 가능한 경우,
    상기 인버터부의 전류제어 가능여부에 따라 상기 충전부에 저장된 직류 전원의 강제 방전을 위한 전류지령 또는 전압지령을 상기 인버터부에 인가하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 전류제어가 가능한 경우, 기설정된 동기좌표계 d축 전류지령 설정값을 통해 상기 인버터부에 전류지령을 인가하여 상기 충전부에 저장된 직류 전원이 방전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 동기좌표계 d축 전류지령의 크기는, 전기 자동차의 구동시 상기 충전부의 전압범위 및 방전시간을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 인버터부의 전류제어가 불가능한 경우, 기설정된 동기좌표계 또는 정지좌표계 d축 전압지령 설정값을 통해 상기 인버터부에 전압지령을 인가하여 상기 충전부에 저장된 직류 전원이 방전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 동기좌표계 또는 정지좌표계 d축 전압지령이 크기는, 상기 충전부의 전압범위, 방전시간 및 상기 전동기의 임피던스를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 인버터의 강제 방전 장치.
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