KR20190074364A - 발열체의 온도 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

발열체의 온도 제어방법 및 제어시스템 Download PDF

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Abstract

발열체의 열전달 모델을 기반으로 발열체의 온도를 추정하는 단계; 추정한 온도의 변화량 및 발열체의 온도를 측정하는 온도센서에서 측정한 온도의 변화량을 각각 산출하는 단계; 및 산출한 추정 온도 변화량 및 측정 온도 변화량을 기반으로 온도센서의 고장을 판단하는 단계;를 포함하는 발열체의 온도 제어방법이 소개된다.

Description

발열체의 온도 제어방법 및 제어시스템{TEMPERATURE CONTROL METHOD AND CONTROL SYSTEM OF HEATING ELEMENT}
본 발명은 발열체의 온도 제어방법 및 제어시스템으로, 더 구체적으로는 발열체의 온도를 측정하는 온도센서의 고장 여부를 판단하고 이에 따라 냉각계통을 제어하는 기술에 관한 것이다.
일반적인 온도센서는 전압을 측정하고 측정된 전압에 따른 온도를 감지하여 발열 반응이 발생하는 발열체의 온도를 측정한다. 또한, 발열체의 측정된 온도를 이용하여 발열체를 냉각하는 냉각계통을 제어할 수 있다.
다만, 발열체의 온도를 측정하는 온도센서가 고장난 경우에는 온도센서에서 측정된 온도를 신뢰할 수 없고, 이에 따라 냉각계통을 적절하게 제어할 수 없어 발열체의 온도를 제어하는데 문제가 발생한다.
기존에 온도센서의 고장을 판단하는 방법으로, 온도센서에서 측정한 전압이 최대전압에 근접한 경우에는 온도센서가 연결된 전원 회로에 단락이 발생한 것으로 감지하거나, 측정 전압이 0에 근접한 경우에는 온도센서가 연결된 전원 회로에 단선이 발생하거나, GROUND에 연결된 회로에 단락이 발생한 것으로 감지할 수 있었다.
또한, 유사한 온도로 예상되는 다른 온도센서의 측정값을 이용하거나 냉각수의 입출구단의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서의 측정값을 이용하여 온도센서의 고장을 판단하였다.
다만, 기존의 온도센서 고장을 감지하는 방법에 의하여는 온도 실측 범위에서 단선 또는 단락을 판단하거나, 온도센서의 실측 범위 이내의 고장을 판단할 수 없는 문제가 있었고, 다른 온도센서가 함께 고장나는 경우에는 고장을 잘못 판단하거나 다른 시스템에 의존적인 점에서 해당 시스템의 개발 자유도가 감소하는 문제가 있었다. 또한, 냉각수 온도센서의 측정값을 이용하는 경우에는 냉각수 입구와 출구의 온도센서 중에서 어느 센서의 고장인지 감지할 수 없고, 냉각수 순환에 따른 외란의 영향을 크게 받는 점에서 정확하고 빠른 고장 감지가 어려운 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-0747229 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 온도센서의 측정 범위 이내에서 발생하는 고장을 빠르고 정확하게 감지하고, 고장난 것으로 판단되는 경우 냉각계통을 비상운전하는 발열체의 온도 제어방법 및 제어시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발열체의 온도 제어방법은 발열체의 열전달 모델을 기반으로 발열체의 온도를 추정하는 단계; 추정한 온도의 변화량 및 발열체의 온도를 측정하는 온도센서에서 측정한 온도의 변화량을 각각 산출하는 단계; 및 산출한 추정 온도 변화량 및 측정 온도 변화량을 기반으로 온도센서의 고장을 판단하는 단계;를 포함한다.
발열체의 온도를 추정하는 단계는 발열체의 발열량에서 외부로 유출되는 열 전달량을 감산하여 발열체의 내부 에너지 변화량을 산출하고, 내부 에너지 변화량으로부터 발열체의 온도를 추정할 수 있다.
외부로 유출되는 열 전달량은 이전에 추정한 발열체의 온도와 냉각매체의 온도의 차이와 열저항 계수를 이용하여 산출할 수 있다.
냉각매체의 온도는 기설정된 온도값을 이용할 수 있다.
추정한 온도의 변화량을 산출하는 단계는 온도센서의 측정에서 발생하는 지연시간만큼 이전에 추정한 발열체의 온도 변화량을 산출할 수 있다.
발열체는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이고, 발열체의 온도를 추정하는 단계에서 IGBT의 발열량은 IGBT에서 센싱한 전류를 기반으로 산출한 스위칭 손실과 도통 손실의 합으로 가정할 수 있다.
IGBT의 스위칭 손실은 아래의 수식을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
: IGBT 스위칭 손실값(W),
Figure pat00003
: IGBT 스위칭 주파수(Hz),
Figure pat00004
: IGBT Turn On 스위칭 손실 에너지(J),
Figure pat00005
: IGBT Turn Off 스위칭 손실 에너지(J),
Figure pat00006
: IGBT 다이오드 스위칭 손실 에너지(J),
Figure pat00007
: 고전압 DC단 전압 측정값(V),
Figure pat00008
: 스위칭 손실 에너지 측정 조건 고전압 DC단 기준 전압(V)
IGBT의 도통 손실은 아래의 수식을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00009
=
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
: IGBT 도통(전도) 손실값(W),
Figure pat00014
: 모터 3상 정현파 전류 최대값(A),
Figure pat00015
: 0[A] 전류 기준 IGBT 능동소자의 collector 와 Emitter 양단간 전압차(V),
Figure pat00016
: 0[A] 전류에서의 IGBT 다이오드 양단 전압차(V),
Figure pat00017
: IGBT collector 와 Emitter 양단간 전압차의 전류에 따른 기울기,
Figure pat00018
: IGBT 다이오드 양단 전압차의 전류에 따른 기울기, m: 전압 이용률,
Figure pat00019
: 3상 전류와 전압간 위상차(deg.)
온도센서의 고장을 판단하는 단계는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하고, 산출된 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 절대값 크기가 기설정된 값을 초과하면 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다.
추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하는 단계는, 추정 온도 변화량의 크기와 측정 온도 변화량의 크기를 비교하는 단계; 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 중 상대적으로 크기가 크거나 같은 값을 상대적으로 크기가 작거나 같은 값으로 제산하는 단계; 및 제산한 값에서 1을 감산한 값의 크기를 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비로 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
온도센서의 고장을 판단하는 단계는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 절대값 크기가 기설정된 값을 초과하는 시간이 기설정된 기준시간 이상 유지되면 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다.
온도센서의 고장을 판단하는 단계는 기설정된 판단시간 동안의 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 평균 절대값 크기가 기설정된 값 이상이면 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다.
온도센서의 고장을 판단하는 단계 이후에, 발열체를 냉각하는 냉각계통을 제어하는 단계;를 더 포함하고, 온도센서의 고장을 판단하는 단계에서 고장이 아닌 것으로 판단되면, 측정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어할 수 있다.
온도센서의 고장을 판단하는 단계에서 온도센서의 고장으로 판단되면, 냉각계통을 제어하는 단계는 추정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어할 수 있다.
온도센서의 고장을 판단하는 단계에서 온도센서의 고장으로 판단되면, 냉각계통을 제어하는 단계는 발열체의 온도를 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통을 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발열체의 온도 제어시스템은 내부에서 발열 반응이 이루어지는 발열체; 발열체의 온도를 측정하는 온도센서; 및 발열체의 열전달 모델을 기반으로 발열체의 온도를 추정하고, 추정한 온도의 변화량 및 온도센서에서 측정한 온도의 변화량을 각각 산출하며, 산출한 추정 온도 변화량 및 측정 온도 변화량을 기반으로 온도센서의 고장을 판단하는 제어부;를 포함한다.
발열체는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이고, IGBT의 전류를 센싱하는 전류센서;를 더 포함하며, 제어부는 전류센서에서 센싱한 전류를 기반으로 산출한 발열체의 스위칭 손실과 도통 손실의 합을 IGBT의 발열량으로 가정할 수 있다.
제어부는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하고, 산출된 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 크기가 기설정된 값을 초과하면 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다.
발열체를 냉각하는 냉각계통;을 더 포함하고, 제어부는 온도센서의 고장이 아닌 것으로 판단되면 측정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어하고, 온도센서의 고장으로 판단되면 추정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어하거나 발열체의 온도를 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통을 제어할 수 있다.
본 발명의 발열체의 온도 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 온도센서의 측정 범위 이내에서 발생한 고장까지 감지하는 효과를 갖는다.
또한, 다른 센서에 의존하지 않고 자체 시스템만으로 온도를 감지하여 추가적인 온도센서 없이 시스템의 설계 자유도를 얻는 효과를 갖는다.
또한, 노이즈 또는 외란에 의하여 온도센서의 고장을 오감지하는 가능성을 최소화하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서의 고장을 판단하는 순서도이다.
도 2는 IGBT의 스위칭 손실을 도시한 그래프이고, 도 3은 IGBT의 도통 손실을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 온도 제어시스템을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 온도 제어방법 또는 발열체의 온도 제어시스템을 이용한 결과를 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서의 고장을 판단하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 온도 제어방법은 발열체의 열전달 모델을 기반으로 발열체의 온도를 추정하는 단계(S100); 추정한 온도의 변화량 및 발열체의 온도를 측정하는 온도센서에서 측정한 온도의 변화량을 각각 산출하는 단계(S200); 및 산출한 추정 온도 변화량 및 측정 온도 변화량을 기반으로 온도센서의 고장을 판단하는 단계(S900);를 포함한다.
본 발명의 발열체는 모터 구동용 인버터 또는 DC/DC 컨버터 등에 사용되는 고속 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 예시로 설명하였다. 이외에도 저항, 엔진 또는 연료전지 스택 등 발열 반응이 발생하는 모든 시스템에 적용 가능하다.
본 발명의 온도센서는 발열체의 온도를 적절한 범위로 유지시키기 위하여 냉각계통의 냉각제어 등에 사용하기 위하여 온도를 센싱하는 센서이다. 냉각계통은 수냉식 또는 공냉식 등 다양한 냉각매체를 이용할 수 있고, 냉각매체를 순환시키는 순환 펌프, 라디에이터, 라디에이터 팬 및 냉각매체의 경로를 변경하기 위한 바이패스 유로와 조절밸브 등을 모두 포함할 수 있다.
발열체의 온도를 추정하는 단계(S100)는 발열체의 열전달 모델을 기반으로 발열체의 온도를 추정할 수 있다. 구체적으로, 발열체의 발열량에서 외부로 유출되는 열 전달량을 감산하여 발열체의 내부 에너지 변화량을 산출하고, 내부 에너지 변화량으로부터 발열체의 온도를 추정할 수 있다.
외부로 유출되는 열 전달량은 이전에 추정한 발열체의 온도와 냉각매체의 온도의 차이와 열저항 계수를 이용하여 산출할 수 있다. 여기서, 냉각매체의 온도는 기설정된 온도값을 이용할 수 있다. 즉, 냉각매체의 온도는 실측한 값이 아닌 고정된 값을 이용할 수 있다. 특히, 기설정된 온도값으로는 냉시동시 또는 충분한 시동이 완료된 시기 등의 상황에 따라 복수 개로 기설정되어 상황에 따라 다른 값으로 이용될 수도 있다.
냉각매체는 일반적으로 충분한 유량을 갖고, 이에 따라 발열체의 온도 변화에 대비하여 상대적으로 냉각매체의 온도 변화가 작은 점에서 고정된 값을 이용하더라도 충분한 정확도를 갖는다. 또한, 냉각매체의 온도를 측정하는 센서를 추가로 필요로 하지 않고, 추가적으로 센서를 장착하더라도 냉각매체 온도센서 또한 고장 가능성이 있고 외란이 발생하여 정확한 값을 측정할 수 없는 점에서 고정값을 사용함에 따라 더 정확한 고장 검출이 가능하다.
즉, 열역학 제1법칙을 이용하여 발열체의 내부 에너지 변화량은 발열량에서 외부로 유출되는 열 전달량을 감산하는 아래의 수식을 유도할 수 있다.
Figure pat00020
P: 발열체의 발열량[W], Qout: 외부로 유출되는 열 전달량[W], C: 발열체의 열용량 계수[J/K], Tnow: 현재 발열체의 온도(추정값)[℃], Told: 직전 발열체의 온도(추정값)[℃], tsmp: 연산 주기(Sampling 타임), Tclt_ref: 냉각매체의 기준온도[℃], R: 발열체와 냉각매체 사이의 열저항 계수[K/W]
발열체의 추정 온도(Tnow)는 상기 유도한 수식을 통하여 추정할 수 있다.
발열체는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이고, 발열체의 온도를 추정하는 단계에서 IGBT의 발열량은 IGBT에서 센싱한 전류를 기반으로 산출한 스위칭 손실과 도통 손실의 합으로 가정할 수 있다.
도 2는 IGBT의 스위칭 손실을 도시한 그래프이고, 도 3은 IGBT의 도통 손실을 도시한 그래프이다.
도 2 내지 3을 참조하면, 모터를 구동하는 인버터 내부에 포함된 IGBT의 스위칭 손실은 3상 모터의 입력전압 제어를 위해 고속으로 On/Off 스위칭을 발생시키는 경우, Turn On과 Turn Off가 발생하는 순간에 전류가 흐르고 차단되는 부분에서 발생하는 손실값을 의미한다. Turn On시 발생하는 Switching On Loss와 Turn Off시 발생하는 Switching Off Loss를 모두 포함하는 것으로, 이러한 스위칭 손실은 이상적인 스위치가 아니기 때문에 발생하는 것이다.
구체적으로, IGBT의 스위칭 손실은 아래의 수식을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00021
Figure pat00022
: IGBT 스위칭 손실값(W),
Figure pat00023
: IGBT 스위칭 주파수(Hz),
Figure pat00024
: IGBT Turn On 스위칭 손실 에너지(J),
Figure pat00025
: IGBT Turn Off 스위칭 손실 에너지(J),
Figure pat00026
: IGBT 다이오드 스위칭 손실 에너지(J),
Figure pat00027
: 고전압 DC단 전압 측정값(V),
Figure pat00028
: 스위칭 손실 에너지 측정 조건 고전압 DC단 기준 전압(V)
여기서,
Figure pat00029
,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
등은 DC단의 입력 전압 또는 출력 전류에 의해 가변되는 값이고, 실험을 통해 측정된 값을 이용할 수 있다. 일반적으로 IGBT의 제조사에서 실험한 값을 이용할 수 있다.
또한, 도통 손실은 스위칭 소자를 통해 전류가 흐를 때 전류량에 따라 발생하는 스위칭 소자의 Collector와 Emitter 사이의 전압 강하에 의해 발생하는 손실을 의미한다. IGBT의 도통 손실은 아래의 수식을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00032
=
Figure pat00033
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
: IGBT 도통(전도) 손실값(W),
Figure pat00037
: 모터 3상 정현파 전류 최대값(A),
Figure pat00038
: 0[A] 전류 기준 IGBT 능동소자의 collector 와 Emitter 양단간 전압차(V),
Figure pat00039
: 0[A] 전류에서의 IGBT 다이오드 양단 전압차(V),
Figure pat00040
: IGBT collector 와 Emitter 양단간 전압차의 전류에 따른 기울기,
Figure pat00041
: IGBT 다이오드 양단 전압차의 전류에 따른 기울기, m: 전압 이용률,
Figure pat00042
: 3상 전류와 전압간 위상차(deg.)
Figure pat00043
,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
및
Figure pat00046
는 실험을 통해 측정된 값을 이용할 수 있다. 일반적으로 IGBT의 제조사에서 실험한 값을 이용할 수 있다.
온도센서의 고장을 판단하는 단계(S900)는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하고(S510, S520), 산출된 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 절대값 크기가 기설정된 값을 초과하면 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다(S900). 온도 추정값의 변화량이 일정 수준(T1)인 경우에만 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출할 수 있다(S300). 이는 너무 작은 변화량에 의해 오차가 급격히 크게 발생하는 것을 방지하기 위함이다.
구체적으로, 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하는 단계(S510, S520)는, 추정 온도 변화량의 크기와 측정 온도 변화량의 크기를 비교하는 단계(S400); 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 중 상대적으로 크기가 크거나 같은 값을 상대적으로 크기가 작거나 같은 값으로 제산하는 단계(S510, S520); 및 제산한 값에서 1을 감산한 값의 크기를 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비로 산출하는 단계(S510, S520);를 포함할 수 있다.
구체적으로, 추정 온도 변화량(
Figure pat00047
)의 크기가 측정 온도 변화량(
Figure pat00048
)의 크기보다 큰 경우(
Figure pat00049
)에는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)는 아래 수식을 이용하여 산출할 수 있다(S510).
Figure pat00050
반대로, 측정 온도 변화량(
Figure pat00051
)의 크기가 추정 온도 변화량(
Figure pat00052
)의 크기보다 크거나 작은 경우에는 아래의 수식으로 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)를 산출할 수 있다(S520).
Figure pat00053
이와 같이, 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)는 측정 온도 변화량(
Figure pat00054
)의 절대값과 추정 온도 변화량(
Figure pat00055
)의 절대값 크기 비교를 통해 2개 값의 비율이 1보다 큰 값으로 계산되도록 수식을 달리 계산한다.
이와 같이 계산하는 목적은 만약 2개 온도값의 크기와 관계없이 동일한 수식으로 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)를 계산하는 경우에는 측정 온도 변화량(
Figure pat00056
)과 추정 온도 변화량(
Figure pat00057
)의 차이는 동일하더라도 측정 온도 변화량(
Figure pat00058
)이 큰 경우와 추정 온도 변화량(
Figure pat00059
)이 큰 경우 사이에서 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)의 크기가 상당히 커질 수 있다. 특히, 무한대까지 크기가 커지거나, 반대의 경우 0~1 사이의 작은 값으로 표출되어 고장 검출이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 크기 비교에 따라 상이한 수식을 이용하여 측정 온도 변화량(
Figure pat00060
)과 추정 온도 변화량(
Figure pat00061
) 사이의 오차가 커질 수록 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)가 커질 수 있다.
또한, 1을 감산한 값에 절대값으로 계산하는 목적은 측정 온도 변화량(
Figure pat00062
)과 추정 온도 변화량(
Figure pat00063
)의 부호가 서로 다른 경우에는 온도센서의 고장일 가능성이 더 높기 때문이다. 예를 들어, 1을 감산하지 않는 경우에는 측정 온도 변화량(
Figure pat00064
)과 추정 온도 변화량(
Figure pat00065
)의 부호가 동일한 경우와 반대인 경우 모두 1로 산출될 것이다.
그러나 1을 감산하여 절대값으로 계산하는 경우에는 부호가 동일하면 0으로 산출되고, 부호가 반대이면 2로 계산되어 온도센서의 고장을 검출하는데 더 정확한 지표가 될 수 있다.
추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)의 고장판정 기준값은 10 내외 수준의 값으로 설정할 수 있다. 기준값이 작을수록 미세한 센서 고장도 감지 가능하나, 그만큼 오감지 가능성은 높아진다. 반면 크게 설정할 경우 오감지 가능성은 낮아지지만 심각한 고장만이 감지 가능한 문제가 발생한다. 일반적으로 온도센서가 정상적인 범위에서 고장이 발생한 정합성 고장이 발생한 경우, 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)은 수십 이상으로 계산되기 때문에 10 내외의 값으로 설정하면 충분히 고장 감지가 가능하다. 실험적으로 확인한 경우 상기 온도 변화 비율 지표값은 센서가 정상인 상태에서는 1이하로 안정적으로 계산된다.
추가로, 온도센서의 측정값은 센서의 센싱 delay와 센서값을 읽어서 제어를 실시하는 CPU의 저주파 필터에 의해 발생하는 소프트웨어적인 delay로 인해 측정 delay가 발생한다. 따라서, 계산을 위해서는 이 부분에 대한 시간 지연 보상을 실시해야 한다. 추정된 온도값에 대하여 온도센서 측정 delay 만큼의 시간 지연을 적용하여 현재시점 기준으로 온도센서 측정 delay 만큼 이전 시점에 추정된 온도값과 현재 온도 센서 측정값을 통해 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)를 계산하면 더 정확할 수 있다.
따라서, 추정한 온도의 변화량을 산출하는 단계에서 온도센서의 측정에서 발생하는 지연시간을 반영하여, 온도센서의 측정에서 발생하는 지연시간만큼 이전에 추정한 발열체의 온도 변화량을 산출하여 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비(TmpRat)를 계산할 수 있다.
또한, 온도센서의 고장을 판단하는 단계(S900)는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 크기가 기설정된 값을 초과하는 시간이 기설정된 기준시간 이상 유지되면(S800) 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다. 또는, 현재 시점 기준으로 일정시간 동안의 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 평균값을 이용할 수 있다(S600).
다른 실시예로, 온도센서의 고장을 판단하는 단계(S900)는 기설정된 판단시간 동안의 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 평균 절대값 크기가 기설정된 값 이상이면 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다(S700). 즉, 노이즈 제거를 위하여 판단시간 동안 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 이동 평균값(Moving Average)을 산출하여 평균값으로 온도센서의 고장으로 판단할 수 있다.
이들은 선택적 또는 동시에 이용될 수 있고, 온도센서 측정값의 순간적인 노이즈, 온도 센서 측정값의 센싱 delay 등에 의해 정상적인 온도 센서인 경우에도 발생할 수 있는 순간적인 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비 peak값에 의한 고장 오감지를 방지하기 위함이다.
온도센서의 고장을 판단하는 단계(S900) 이후에, 발열체를 냉각하는 냉각계통을 제어하는 단계(미도시);를 더 포함하고, 온도센서의 고장을 판단하는 단계에서 고장이 아닌 것으로 판단되면, 측정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어할 수 있다. 온도센서의 고장을 판단하는 단계(S900)에서 온도센서의 고장으로 판단되면, 냉각계통을 제어하는 단계(미도시)는 추정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 온도센서의 고장을 판단하는 단계(S900)에서 온도센서의 고장으로 판단되면, 냉각계통을 제어하는 단계(미도시)는 발열체의 온도를 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통을 제어할 수 있다.
먼저, 온도센서의 고장을 감지하면, 해당 고장코드를 비활성 메모리에 저장할 수 있다. 또한, 사용자가 고장을 인지할 수 있도록 별도로 인지 가능한 수단을 통하여 고장 상태를 알릴 수 있다.
온도센서가 정상인 경우, 온도센서에서 측정한 온도값을 이용하여 냉각계통을 제어할 수 있다. 구체적으로, 발열체의 목표 온도를 설정하여 PI 제어를 실시하거나, 발열체의 온도가 상승함에 따라 선형적 또는 Step 형태로 제어할 수 있다. 예를 들면, 냉각펌프 또는 라이에이터의 팬의 회전속도를 제어할 수 있다.
온도센서의 고장으로 판단되면, 온도센서에서 측정한 온도값을 신뢰할 수 없는 점에서 추정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어할 수 있다. 위와 동일하게 PI 제어 또는 발열체의 온도가 상승함에 따라 선형적 또는 Step 형태로 제어할 수 있다.
또는, 온도센서의 고장으로 판단되면, 발열체의 온도를 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통을 제어할 수 있다. 즉, 일정한 수준 이상의 냉각 성능이 확보되는 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통을 가동하도록 제어할 수 있다. 기설정된 온도값은 발열체를 냉각하는 성능의 확보와 전력 소모 효율을 고려하여 적절한 수준으로 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 온도 제어시스템을 도시한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 온도 제어시스템은 내부에서 발열 반응이 이루어지는 발열체(10); 발열체(10)의 온도를 측정하는 온도센서(20); 및 발열체(10)의 열전달 모델을 기반으로 발열체(10)의 온도를 추정하고, 추정한 온도의 변화량 및 온도센서(20)에서 측정한 온도의 변화량을 각각 산출하며, 산출한 추정 온도 변화량 및 측정 온도 변화량을 기반으로 온도센서(20)의 고장을 판단하는 제어부(30);를 포함할 수 있다.
제어부(30)는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하고, 산출된 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 크기가 기설정된 값을 초과하면 온도센서(20)의 고장으로 판단할 수 있다.
발열체(10)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이고, IGBT의 전류를 센싱하는 전류센서(40);를 더 포함하며, 제어부(30)는 전류센서(40)에서 센싱한 전류를 기반으로 산출한 발열체(10)의 스위칭 손실과 도통 손실의 합을 IGBT의 발열량으로 가정할 수 있다.
전류센서(40)은 IGBT의 발열량을 산출하기 위한 목적으로 3상 전류를 센싱할 수 있다. 발열체(10)가 IGBT가 아닌 경우에는 전류센서(40)가 아닌 다른 센서로 대체될 수 있다.
발열체(10)를 냉각하는 냉각계통(50);을 더 포함하고, 제어부(30)는 온도센서(20)의 고장이 아닌 것으로 판단되면 측정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어하고, 온도센서(20)의 고장으로 판단되면 추정한 온도를 기반으로 냉각계통(50)을 제어하거나 발열체(10)의 온도를 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통(50)을 제어할 수 있다.
이하, 발열체의 온도 제어방법과 중복되는 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 온도 제어방법 또는 발열체의 온도 제어시스템을 이용한 결과를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 발열체가 공기압축기를 구동하는 모터의 인버터 내부에 포함된 IGBT인 것으로, 공기압축기의 속도를 계속해서 변경하여 IGBT의 온도가 가변되는 운전 조건에서 본 기술을 적용한 것이다.
IGBT의 온도 측정값과 추정값 계산 및 본 고장 진단 기능을 검증한 실측 결과, 정상적인 상태에서는 온도 추정값의 변화율과 온도 측정값의 변화율이 매우 유사하여 온도 변화 비율 지표값이 0근방의 값으로 최대 0.4를 초과하지 않게 산출된다.
따라서, 본 발명에 따르면 정상적인 상태에서는 계속해서 IGBT의 제어를 달리하더라도 온도센서의 고장으로 검출되지 않는 것으로 정합성 판단에 적합한 효과를 검증하였다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 발열부 20 : 온도센서
30 : 제어부 40 : 전류센서
50 : 냉각계통

Claims (19)

  1. 발열체의 열전달 모델을 기반으로 발열체의 온도를 추정하는 단계;
    추정한 온도의 변화량 및 발열체의 온도를 측정하는 온도센서에서 측정한 온도의 변화량을 각각 산출하는 단계; 및
    산출한 추정 온도 변화량 및 측정 온도 변화량을 기반으로 온도센서의 고장을 판단하는 단계;를 포함하는 발열체의 온도 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    발열체의 온도를 추정하는 단계는 발열체의 발열량에서 외부로 유출되는 열 전달량을 감산하여 발열체의 내부 에너지 변화량을 산출하고, 내부 에너지 변화량으로부터 발열체의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    외부로 유출되는 열 전달량은 이전에 추정한 발열체의 온도와 냉각매체의 온도의 차이와 열저항 계수를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    냉각매체의 온도는 기설정된 온도값을 이용하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    추정한 온도의 변화량을 산출하는 단계는 온도센서의 측정에서 발생하는 지연시간만큼 이전에 추정한 발열체의 온도 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    발열체는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이고, 발열체의 온도를 추정하는 단계에서 IGBT의 발열량은 IGBT에서 센싱한 전류를 기반으로 산출한 스위칭 손실과 도통 손실의 합으로 가정하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    IGBT의 스위칭 손실은 아래의 수식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
    Figure pat00066

    Figure pat00067
    : IGBT 스위칭 손실값(W),
    Figure pat00068
    : IGBT 스위칭 주파수(Hz),
    Figure pat00069
    : IGBT Turn On 스위칭 손실 에너지(J),
    Figure pat00070
    : IGBT Turn Off 스위칭 손실 에너지(J),
    Figure pat00071
    : IGBT 다이오드 스위칭 손실 에너지(J),
    Figure pat00072
    : 고전압 DC단 전압 측정값(V),
    Figure pat00073
    : 스위칭 손실 에너지 측정 조건 고전압 DC단 기준 전압(V)
  8. 청구항 6에 있어서,
    IGBT의 도통 손실은 아래의 수식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
    Figure pat00074
    =
    Figure pat00075

    Figure pat00076

    Figure pat00077

    Figure pat00078
    : IGBT 도통(전도) 손실값(W),
    Figure pat00079
    : 모터 3상 정현파 전류 최대값(A),
    Figure pat00080
    : 0[A] 전류 기준 IGBT 능동소자의 collector 와 Emitter 양단간 전압차(V),
    Figure pat00081
    : 0[A] 전류에서의 IGBT 다이오드 양단 전압차(V),
    Figure pat00082
    : IGBT collector 와 Emitter 양단간 전압차의 전류에 따른 기울기,
    Figure pat00083
    : IGBT 다이오드 양단 전압차의 전류에 따른 기울기, m: 전압 이용률,
    Figure pat00084
    : 3상 전류와 전압간 위상차(deg.)
  9. 청구항 1에 있어서,
    온도센서의 고장을 판단하는 단계는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하고, 산출된 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 절대값 크기가 기설정된 값을 초과하면 온도센서의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하는 단계는, 추정 온도 변화량의 크기와 측정 온도 변화량의 크기를 비교하는 단계;
    추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 중 상대적으로 크기가 크거나 같은 값을 상대적으로 크기가 작거나 같은 값으로 제산하는 단계; 및
    제산한 값에서 1을 감산한 값의 크기를 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비로 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    온도센서의 고장을 판단하는 단계는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 절대값 크기가 기설정된 값을 초과하는 시간이 기설정된 기준시간 이상 유지되면 온도센서의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    온도센서의 고장을 판단하는 단계는 기설정된 판단시간 동안의 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 평균 절대값 크기가 기설정된 값 이상이면 온도센서의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    온도센서의 고장을 판단하는 단계 이후에, 발열체를 냉각하는 냉각계통을 제어하는 단계;를 더 포함하고,
    온도센서의 고장을 판단하는 단계에서 고장이 아닌 것으로 판단되면, 측정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    온도센서의 고장을 판단하는 단계에서 온도센서의 고장으로 판단되면, 냉각계통을 제어하는 단계는 추정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    온도센서의 고장을 판단하는 단계에서 온도센서의 고장으로 판단되면, 냉각계통을 제어하는 단계는 발열체의 온도를 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통을 제어하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어방법.
  16. 내부에서 발열 반응이 이루어지는 발열체;
    발열체의 온도를 측정하는 온도센서; 및
    발열체의 열전달 모델을 기반으로 발열체의 온도를 추정하고, 추정한 온도의 변화량 및 온도센서에서 측정한 온도의 변화량을 각각 산출하며, 산출한 추정 온도 변화량 및 측정 온도 변화량을 기반으로 온도센서의 고장을 판단하는 제어부;를 포함하는 발열체의 온도 제어시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    발열체는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이고,
    IGBT의 전류를 센싱하는 전류센서;를 더 포함하며,
    제어부는 전류센서에서 센싱한 전류를 기반으로 산출한 발열체의 스위칭 손실과 도통 손실의 합을 IGBT의 발열량으로 가정하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어시스템.
  18. 청구항 16에 있어서,
    제어부는 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비를 산출하고, 산출된 추정 온도 변화량과 측정 온도 변화량 사이의 비의 크기가 기설정된 값을 초과하면 온도센서의 고장으로 판단하는 발열체의 온도 제어시스템.
  19. 청구항 16에 있어서,
    발열체를 냉각하는 냉각계통;을 더 포함하고,
    제어부는 온도센서의 고장이 아닌 것으로 판단되면 측정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어하고, 온도센서의 고장으로 판단되면 추정한 온도를 기반으로 냉각계통을 제어하거나 발열체의 온도를 기설정된 온도값으로 가정하여 냉각계통을 제어하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도 제어시스템.
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