KR20160134206A

KR20160134206A - 친환경자동차용 전기동력시스템의 능동형 커패시터 방전회로장치

Info

Publication number: KR20160134206A
Application number: KR1020150067887A
Authority: KR
Inventors: 김종필; 김백유; 양진영; 한승현; 이우영; 이상규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-11-23

Abstract

본 발명은 친환경자동차용 전기동력시스템의 커패시터 방전회로장치에 관한 것으로서, 전원과 인버터 내 파워 모듈 사이를 연결하는 DC 링크단에 링크 커패시터와 병렬로 방전저항을 구성할 경우 차량 운행 및 배터리 충전 등과 같은 정상적인 상황에서도 방전저항에 의한 전도 손실이 발생하는 문제점을 개선한 친환경자동차용 전기동력시스템의 커패시터 방전회로장치를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전원과 전력변환장치 내 파워 모듈 사이를 연결하는 DC 링크에 설치되는 DC 링크 커패시터; 상기 DC 링크 커패시터와 병렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 방전저항; 상기 방전저항과 직렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 회로개폐소자; 및 상기 회로개폐소자의 개폐동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 친환경자동차용 전기동력시스템의 방전회로장치가 개시된다.

Description

친환경자동차용 전기동력시스템의 능동형 커패시터 방전회로장치{Active capacitor discharge system of electric power system for eco-friendly vehicle}

본 발명은 친환경자동차용 전기동력시스템의 커패시터 방전회로장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비상 상황이 아닌 차량 운행 및 배터리 충전 등과 같은 정상적인 상황에서도 방전저항에 의한 전도 손실이 발생하는 문제점을 개선한 친환경자동차용 전기동력시스템의 커패시터 방전회로장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 전기자동차와 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차와 같은 친환경자동차에는 인버터나 컨버터로 이용되는 다수의 전력변환장치가 탑재되고 있다.

특히, 친환경자동차에서는 차량 주행을 위해 모터를 이용하고, 모터를 구동하기 위한 전력변환장치로 고전압 배터리나 연료전지와 같은 고전압 전원이 공급하는 전력을 변환하여 모터에 인가하는 인버터가 탑재되고 있다.

상기 모터는 인버터로부터 전력케이블을 통해 전달되는 3상 교류전류에 의해 구동되며, 인버터는 제어기의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 파워 모듈의 스위칭 소자가 스위칭되면서 고전압 전원의 직류전류를 3상 교류전류로 변환한다.

통상의 인버터에서 파워 모듈을 구성하는 스위칭 소자로는 대전력에서도 고속 스위칭 동작이 가능한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)가 주로 사용되고 있다.

도 1은 친환경자동차에서 고전압 배터리, 인버터, 모터를 포함하는 전기동력시스템의 회로도이다.

예시된 전기동력시스템에서는 고전압 전원(10)으로 차량의 메인 배터리인 고전압 배터리가 이용되고 있고, 고전압 전원(10)과 모터(30) 사이에는 파워 모듈의 스위칭 소자(21)가 턴온/턴오프 구동하여 전력을 변환하는 인버터(20)가 배치된다.

상기 고전압 전원(10)은 연료전지 자동차의 경우 연료전지가 될 수 있고, 모터(30)는 영구자석 동기모터(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)가 될 수 있다.

상기 모터(30)는 차량 주행을 위한 구동모터일 수 있으며, 하이브리드 자동차에서 엔진 시동 및 발전을 위한 스타터-제너레이터(ISG:Integrated Starter and Generator, HSG:Hybrid Starter and Generator)이거나, 그 밖에 친환경자동차에 장착되는 고전압 장치의 모터일 수 있다.

도시된 친환경자동차의 전기동력시스템에서 전력변환장치인 인버터(20)에는 고전압에 따른 안전 설계의 일환으로 인버터의 DC 링크(DC link) 전압, 즉 DC 링크 커패시터(link capacitor)(22)에 충전되어 있는 전압을 차량 충돌과 같은 비상시에 시멘트 저항(방전저항)(23)을 이용하여 방전시키게 된다.

이와 같이 커패시터 방전회로장치, 즉 DC 링크 전압 방전회로장치에서는 고전압 안전을 위해 DC 링크단에 시멘트 저항(23)을 링크 커패시터(22)와 병렬로 설치하여 비상시에 DC 링크 전압이 시멘트 저항(23)을 통해 강제 방전되도록 하고 있다.

한편, 최근 들어 친환경자동차의 연비 향상 및 전력장치의 소형화를 위해 전기동력시스템의 운용 전압이 상승함에 따라 링크 커패시터의 내압이 증가하는 추세이다.

하지만, 차량 충돌시 등에 대한 페일-세이프(fail-safe)의 목적으로 링크 커패시터는 일정 시간 내에 일정 전압 이하로 방전되어야 하며, 전술한 바와 같이 커패시터 방전회로장치에서는 링크 커패시터와 병렬로 연결되는 방전저항(discharge resistor)을 이용하여 에너지를 열로 소비하도록 하고 있다.

예를 들어, KS C4801 규격 규격에 따라 비정상적인(abnormal) 비상 상황에서 방전시간 5초 이내에 링크 커패시터 전압을 75V 이하의 전압으로 낮출 수 있는 방전저항이 설치되고, 방전저항의 값은 5초 경과시 75V 이하의 구현이 가능한 값으로 선정된다.

도 2는 방전시간(τ)에 따른 링크 커패시터의 방전이 이루어지는 예를 나타내는 도면으로, 방전시간(τ,[초])과 저항(R,[Ω]), 링크 커패시터 용량(C,[F])의 관계는 아래 식과 같다.

τ = R×C

여기서, 방전시간을 3.5초, 링크 커패시터 용량을 1000㎌이라 할 때, 저항 R은 아래와 같이 계산될 수 있다.

R = τ/C = 3.5/(1000×10^-6) = 3500Ω

그러나, 상기와 같은 커패시터 방전회로장치에서는 방전저항이 링크 커패시터와 병렬로 연결되어 구성되었을 때 차량 운행이나 배터리 충전 등과 같은 정상적인 상황에서도 방전저항을 통해 전류가 도통함으로써 전도 손실이 발생하는 문제점이 있다.

상기 저항값 조건에서 차량 운행이나 배터리 충전 중에 나타나는 손실(P,[W])은 DC 링크 전압, 즉 링크 커패시터 전압이 700V라 할 때 아래와 같이 나타낼 수 있다.

P = V_link×I = (V_link)²/R = (700×700)/3500 = 140W

이와 같이 종래의 커패시터 방전회로장치에서는 차량 운행이나 배터리 충전시와 같은 정상적인 상황에서도 상기와 같은 전도 손실이 발생하므로 이를 개선하기 위한 방안이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전원과 인버터 내 파워 모듈 사이를 연결하는 DC 링크단에 링크 커패시터와 병렬로 방전저항을 구성할 경우 차량 운행 및 배터리 충전 등과 같은 정상적인 상황에서도 방전저항에 의한 전도 손실이 발생하는 문제점을 개선한 친환경자동차용 전기동력시스템의 커패시터 방전회로장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 전원과 전력변환장치 내 파워 모듈 사이를 연결하는 DC 링크에 설치되는 DC 링크 커패시터; 상기 DC 링크 커패시터와 병렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 방전저항; 상기 방전저항과 직렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 회로개폐소자; 및 상기 회로개폐소자의 개폐동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 친환경자동차용 전기동력시스템의 방전회로장치를 제공한다.

여기서, 상기 제어부는 센서를 통해 차량 충돌을 감지하거나 전력변환장치를 포함하는 전기동력시스템의 고장을 감지한 경우 회로개폐소자를 온(on) 시켜 방전저항에 의한 DC 링크 커패시터 전압 방전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 차량 운행 또는 배터리 충전시를 포함하는 인버터 정상 운전 상태에서 회로개폐소자를 오프(off) 상태로 유지하여 방전저항에 의한 DC 링크 커패시터 전압 방전이 이루어지지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회로개폐소자는 과도 영역에서 동작될 수 있도록 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)인 것을 특징으로 한다.

이로써, 본 발명에 따른 친환경자동차용 전기동력시스템의 능동형 커패시터 방전회로장치에서는 방전저항과 직렬로 연결되는 회로개폐소자를 구비하고, 조건에 따라 회로개폐소자를 온/오프 제어하여 방전 작동을 선택적으로 온/오프(discharge on/off) 시킬 수 있도록 구성됨으로써, 차량 운행시나 배터리 충전 등과 같은 정상적인 상황에서도 방전저항에 의한 전도 손실이 발생하는 문제점을 개선할 수 있게 된다.

도 1은 친환경자동차에서 고전압 배터리, 인버터, 모터를 포함하는 전기동력시스템의 회로도이다.
도 2는 방전시간에 따른 링크 커패시터의 방전이 이루어지는 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 커패시터 방전회로장치를 포함하는 전기동력시스템의 회로도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 전원과 인버터 내 파워 모듈 사이를 연결하는 DC 링크단에 링크 커패시터와 병렬로 방전저항을 구성할 경우 차량 운행 및 배터리 충전 등과 같은 정상적인 상황에서도 방전저항에 의한 전도 손실이 발생하는 문제점을 개선한 친환경자동차용 전기동력시스템의 커패시터 방전회로장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 커패시터 방전회로장치를 포함하는 전기동력시스템의 회로도이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동형 커패시터 방전회로장치는, 전원(10)과 인버터(20) 내 파워 모듈 사이의 DC 링크에 설치되는 링크 커패시터(22)와, 상기 링크 커패시터(22)와 병렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 방전저항(23)과, 상기 방전저항(23)과 직렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 회로개폐소자(24)와, 상기 회로개폐소자(24)의 개폐동작을 제어하는 제어부(25)를 포함한다.

여기서, 링크 커패시터(22)와 방전저항(23)의 경우 종래기술과 차이가 없으므로 상세한 설명은 생략하며, 단 본 발명의 능동형 커패시터 방전회로장치는 비상시에만 방전 작동하도록 구성된다.

즉, 비상시에 한해서 회로개폐소자(24)를 온(on) 시켜 방전저항(23)에 의해 인버터(20)의 DC 링크 전압, 즉 DC 링크 커패시터(22)에 충전되어 있는 전압이 방전될 수 있도록 하는 것이다.

여기서, 비상시는 정상적인 차량 운행이나 배터리 충전시와 같은 인버터(20)의 정상 운전 상태가 아닌, 비정상적인 페일(fail) 상황, 예컨대 충돌센서에 의해 차량 충돌이 검출된 경우나 소정의 고장 진단 로직에 따라 전기동력시스템 또는 차량 내 시스템의 고장이 검출된 경우를 포함한다.

단, 차량 운행이나 배터리 충전시와 같은 인버터(20)의 정상적인 운전 상태에서는 회로개폐소자(24)를 오프(off) 시켜 회로 오픈 상태로 방전저항(23)에 의한 방전 작동이 이루어지지 않도록 한다.

이와 같이 비상시에만 커패시터 방전회로장치가 동작하고 차량 정상 상태에서는 커패시터 방전회로장치가 비동작하도록 구성됨으로써 종래와 같이 정상 상태에서 손실이 발생하는 문제를 해결할 수 있게 된다.

상기 회로개폐소자(24)는 온(on) 시에 방전저항(23)에 의한 커패시터 전압의 방전이 이루어질 수 있도록, 즉 커패시터 방전회로장치가 동작할 수 있도록 방전저항(23)이 설치된 회로를 닫아주게 된다(discharge on).

반면, 상기 회로개폐소자(24)는 오프(off) 시에 커패시터 전압이 방전되지 않도록, 즉 커패시터 방전회로장치가 동작하지 않도록 방전저항(23)이 설치된 회로를 오픈시키게 된다(discharge off).

상기 회로개폐소자(24)는 외부로부터 인가되는 전기적인 제어신호에 따라 온/오프 제어될 수 있는 공지의 스위칭 소자가 될 수 있으며, 예를 들어 반도체 스위치인 BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor)와 같은 파워 트랜지스터가 될 수 있다.

한편, 제어부(25)는 센서 또는 소정의 고장 진단 로직을 통해 차량 충돌이나 전기동력시스템 등 차량 내 시스템의 고장이 검출될 경우 회로개폐소자(24)를 온 시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어기(26)와, 상기 제어기(26)의 제어신호에 따라 회로개폐소자(24)를 온(on) 시키는 스위칭구동부(27)를 포함한다.

도 3의 실시예에서는 2개의 스위칭 소자와 저항들로 구성된 스위칭구동부(27)를 이용하고 있으며, 스위칭구동부(27)의 스위칭 소자로 BJT와 같은 소신호 트랜지스터가 될 수 있다.

작동 상태를 설명하면, 제어기(26)가 충돌센서로부터 충돌신호를 입력받는 등의 차량 충돌을 감지한 경우, 또는 고장 진단 로직을 통해 시스템의 고장을 검출한 경우 DC 링크 커패시터 방전(DC 링크 전압 방전)을 위한 제어신호를 스위칭구동부(27) 내 제1스위치(TR1)의 베이스(base)에 하이(Hi) 신호로 인가한다.

이에 제1스위치(TR1)의 컬렉터측 저항(R1,R2)으로 전류가 도통되고, 이로써 PNP 타입 트랜지스터인 제2스위치(TR2)의 베이스와 이미터(emitter) 간의 전압 강하가 발생하여 제2스위치(TR2)가 온(on) 된다.

결국, 제2스위치(TR2)의 컬렉터(collector)에서 이미터로 전류가 도통되어 회로개폐소자(24)인 파워 트랜지스터가 온(on) 된다.

상기 회로개폐소자(24)로는 BJT를 사용하는 것이 더욱 바람직한데, FET와 달리 BJT를 사용함으로써 포화(saturation) 영역이 아닌 과도(transient) 영역에서 동작시킬 수 있고, 이를 통해 방전저항(23)과 무관한 전류를 제어함으로써 방전 여부를 결정하거나 방전시간을 조절할 수 있다.

또한, 스위칭구동부(27)를 통해 회로개폐소자(24)인 파워 트랜지스터의 베이스 전류를 조절하는 경우 방전저항(23)으로 도통되는 전류를 조절 내지 제한할 수 있다.

이와 같이 하여, 2개의 소신호 트랜지스터와 1개의 파워 트랜지스터를 포함하는 능동형 커패시터 방전회로장치가 구성될 수 있으며, 상술한 본 발명의 능동형 커패시터 방전회로장치에서는 조건에 따라 회로개폐소자(24)인 파워 트랜지스터를 온/오프 제어하여 선택적으로 방전 작동의 온/오프(discharge on/off)를 제어하는 것이 가능해진다.

결국, 전원과 인버터 내 파워 모듈 사이를 연결하는 DC 링크단에 DC 링크 커패시터와 병렬로 방전저항이 구성된 경우 차량 운행 및 배터리 충전 등과 같은 정상적인 상황에서도 방전저항에 의해 전류가 도통하여 전도 손실이 발생하던 종래기술의 문제점이 개선될 수 있고, 방전저항에 직렬로 연결된 회로개폐소자(24), 즉 파워 BJT를 오프시킴으로써 차량의 정상 상태에서 발생하는 손실을 저감하는 효과를 가지게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 고전압 전원 20 : 인버터
21 : 스위칭 소자 22 : DC 링크 커패시터
23 : 방전저항 24 : 회로개폐소자(파워 트랜지스터)
25 : 제어부 26 : 제어기
27 : 스위칭구동부 TR1 : 제1스위치
TR2 : 제2스위치 R1, R2 : 저항
30 : 모터

Claims

전원과 전력변환장치 내 파워 모듈 사이를 연결하는 DC 링크에 설치되는 DC 링크 커패시터;
상기 DC 링크 커패시터와 병렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 방전저항;
상기 방전저항과 직렬로 연결되도록 DC 링크에 설치되는 회로개폐소자; 및
상기 회로개폐소자의 개폐동작을 제어하는 제어부;
를 포함하는 친환경자동차용 전기동력시스템의 방전회로장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 센서를 통해 차량 충돌을 감지하거나 전력변환장치를 포함하는 전기동력시스템의 고장을 감지한 경우 회로개폐소자를 온(on) 시켜 방전저항에 의한 DC 링크 커패시터 전압 방전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차용 전기동력시스템의 방전회로장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 차량 운행 또는 배터리 충전시를 포함하는 인버터 정상 운전 상태에서 회로개폐소자를 오프(off) 상태로 유지하여 방전저항에 의한 DC 링크 커패시터 전압 방전이 이루어지지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 친환경자동차용 전기동력시스템의 방전회로장치.
청구항 1에 있어서,
상기 회로개폐소자는 과도 영역에서 동작될 수 있도록 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)인 것을 특징으로 하는 친환경자동차용 전기동력시스템의 방전회로장치.