KR20210126412A - 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 및 방법 - Google Patents

차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템은 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 에너지 저장장치로부터 제공된 에너지를 교류전력으로 변환하는 인버터; 상기 인버터에서 변환된 교류 전력을 제공받아 구동되는 모터; 상기 인버터 및 상기 에너지 저장장치 사이에 병렬로 연결되며, 회생 제동 시 상기 모터의 회생 에너지가 저장되는 커패시터; 및 전압 센서에서 측정된 상기 커패시터의 전압(DC-링크 전압)이 기 설정된 제1 전압 이상인 경우, 상기 에너지 저장장치와 상기 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키고, 기 저장된 상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*)에 응답하여 상기 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.

Description

차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PROTECTING INVERTER IN VEHICLE FROM OVERVOLTAGE}
본 발명은 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 대기오염과 석유 고갈의 위기에 대응하여 전기 에너지를 차량의 동력으로 사용하는 친환경 차량과 관련된 기술들이 활발하게 개발되고 있다. 친환경 차량은 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle) 및 전기 자동차(Electric vehicle)를 포함한다.
한편, 전기 자동차는 도 1에 도시된 바와 같은 모터를 구동시키기 위한 인버터 시스템을 포함하고 있다. 하지만, 종래의 인버터 시스템을 포함한 전기 자동차에서는 인버터(30)의 DC 링크 전압(커패시터(20)의 양단 전압)이 일정 전압 이상이 되면 고전압 배터리(10)와 모터(40)를 연결하는 릴레이(50)를 오프시켰는데, 이와 같은 경우 모터로부터의 전기 에너지가 커패시터 쪽으로 과도하게 유입되어 인버터 시스템 내에 설계되는 커패시터 양단에 걸리는 DC 링크 전압이 급 상승하게 되며, 그 결과 과전압으로 인해 인버터에 소손이 발생하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 과전압에 의한 인버터의 소손을 방지할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2011-0105034 A1
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 과전압에 의한 인버터 소손을 방지할 수 있는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 해결하기 위해 본 발명에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템은 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 에너지 저장장치로부터 제공된 에너지를 교류전력으로 변환하는 인버터; 상기 인버터에서 변환된 교류 전력을 제공받아 구동되는 모터; 상기 인버터 및 상기 에너지 저장장치 사이에 병렬로 연결되며, 회생 제동 시 상기 모터의 회생 에너지가 저장되는 커패시터; 및 전압 센서에서 측정된 상기 커패시터의 전압(DC-링크 전압)이 기 설정된 제1 전압 이상인 경우, 상기 에너지 저장장치와 상기 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키고, 기 저장된 상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*)에 응답하여 상기 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
상기 인버터는,
제1 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자 하단에 위치하는 제2 스위칭 소자를 포함하는 제1 레그; 제3 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자를 포함하는 제2 레그; 및 제 5 스위칭 소자 및 상기 제5 스위칭 소자 하단에 위치하는 제6 스위칭 소자를 포함하는 제3 레그;를 포함하며, 상기 제1 레그, 제2 레그 및 제3 레그의 출력단은 상기 모터의 각 상에 연결될 수 있다.
상기 전류 지령(Id*, Iq*)은, 상기 복수의 스위칭 소자가 구동될 시, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제5 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자가 온(on)되도록 함으로써, 상기 모터의 구동 중 제로벡터가 상기 모터에 인가되도록 하여 상기 모터에 마이너스 토크가 발생되도록 할 수 있다.
상기 컨트롤러는,
상기 모터의 구동 중 상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*) 맵이 저장된 메모리; 전압 센서로부터 측정된 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 과전압 검출부; 상기 모터로부터 피드백된 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)가 상기 메모리에 저장된 d축 전류지령(Id*) 및 q축 전류지령(Iq*)을 추종하도록 하기 위한 전압 지령(Vd*, Vq*)을 생성하는 전류 제어기; 및 상기 생성된 전압 지령(Vd*, Vq*)에 응답하여 상기 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 스위칭 소자 제어기;를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는,
측정된 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제1 전압 이상이면, 상기 릴레이를 오프시키고, 상기 인버터에서 상기 모터로 제공되는 전류가 상기 전류 지령을 추종하도록 할 수 있다.
상기 컨트롤러는,
상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제1 전압 이상 경우, 상기 릴레이를 오프시키고, 상기 커패시터의 전압이 기 설정된 제2 전압까지 방전되도록 한 후, 상기 커패시터의 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지되도록 할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 미만으로 감소하면 회생 제동을 통해 상기 커패시터의 전압을 상승시키고, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위를 초과하면 상기 모터의 구동을 통해 커패시터의 전압을 방전시킬 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법은, 전압 센서에서 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계; 상기 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상이면, 에너지 저장장치와 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키는 단계; 및 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류지령(Id*,Iq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계;를 포함할 수 있다.
전압 센서에서 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계 이전에,
메모리에 상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*) 맵을 저장하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류지령(Id*, Iq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계는,
전류 제어기에서 상기 모터로부터 피드백된 d축 전류 (Id)및 q축 전류(Iq)가 상기 메모리에 저장된 d축 전류지령(Id*) 및 q축 전류지령(Iq*)을 추종하도록 하기 위한 전압 지령(Vd*, Vq*)을 생성하는 단계; 및 스위칭 소자 제어기에서 상기 생성된 전압 지령(Vd*, Vq*)에 응답하여 상기 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상이면, 에너지 저장장치와 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키는 단계 이후에,
상기 커패시터의 전압이 기 설정된 제2 전압까지 방전되도록 하는 단계; 및
상기 커패시터의 전압을 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 커패시터의 전압을 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지시키는 단계에서는,
상기 컨트롤러에서, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위를 미만으로 감소하면 회생 제동을 통해 상기 커패시터의 전압을 상승시키고, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위를 초과하면 상기 모터의 구동을 통해 커패시터의 전압을 방전시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호할 수 있다.
또한, 인버터 시스템 내의 DC 링크단 전압(커패시터의 양단 전압)을 일정 전압으로 유지하고, 해당 전압을 차량 내의 다른 전장품에 제공함으로써, 다른 전장품의 구동 시간을 늘릴 수 있다.
아울러, 인버터 시스템 내의 커패시터의 양단 전압을 일정 전압으로 유지함으로써, 주행 중 재시동을 실시할 시 커패시터의 프리차지 시간을 줄일 수 있기 때문에 재시동 시 빠른 차량의 응답성을 가질 수 있다.
도 1은 일반적인 전기 자동차에 포함되는 인버터 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 고장 발생 전의 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 고장 발생 시 릴레이가 오프된 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 고장 발생 후 커패시터의 전압이 방전되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 커패시터의 양단 전압을 일정 전압으로 유지하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 및 방법에 대해 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 고장 발생 전의 시스템을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 고장 발생 시 릴레이가 오프된 상황을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 고장 발생 후 커패시터의 전압이 방전되는 것을 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템에서, 커패시터의 양단 전압을 일정 전압으로 유지하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템은, 에너지 저장장치(100), 인버터(200), 인버터 및 에너지 저장장치 사이에 병렬로 연결된 커패시터(300), 모터(400), 컨트롤러(500)를 포함할 수 있으며, 커패시터(300)의 양단 전압을 측정하는 전압 센서(600), 모터의 회전자의 회전각을 검출하는 회전각 센서(700), 모터(400)에 입력되는 전류를 측정하는 전류 센서(900)를 더 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(100)는 배터리 등과 같이 모터(400)를 구동하기 위한 전기 에너지를 직류의 형태로 저장하는 요소로서 직류 전력을 출력한다.
커패시터(300)는 에너지 저장장치(100) 양단에 연결되고 추후 설명할 인버터(200) 및 에너지 저장장치(100) 사이에 병렬로 연결되며 회생 제동시 모터(400)의 회생 에너지가 저장되어 직류 링크 전압(Vdc)를 형성한다. 이 직류 링크 전압(Vdc)는 인버터(200)의 입력 전압이 된다.
인버터(200)는 컨트롤러(500)에서 제공되는 펄스폭 변조 신호에 의해 온/오프 상태가 제어되는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 에너지 저장장치(100)로부터 제공된 직류 전력을 모터 구동을 위한 교류 전력으로 변환한다. 구체적으로, 인버터는, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제1 스위칭 소자(S1) 하단에 위치하는 제2 스위칭 소자(S2)를 포함하는 제1 레그(210), 제3 스위칭 소자(S3) 및 제3 스위칭 소자(S3) 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자(S4)를 포함하는 제2 레그(220), 제5 스위칭 소자(S5) 및 제5 스위칭 소자 하단에 위치하는 제6 스위칭 소자(S6)를 포함하는 제3 레그(230)를 포함할 수 있다. 여기서 인버터(200)의 스위칭이란 함은 인버터에서 출력되는 삼상 전압의 스위칭을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 제1 레그(210), 제2 레그(220) 및 제3 레그(230)의 출력단은 모터(400)의 각 상에 연결된다.
모터(400)는 인버터(200)를 통해 변환된 교류 전력을 제공받아 구동되는 것으로서, 당 기술분야에서 알려진 다양한 종류의 모터가 채용될 수 있다. 친환경 차량에서는 차량의 구동 휠에 회전력을 제공하는 구동모터로서 모터가 지칭될 수도 있다.
전압 센서(600)는 커패시터(300)의 양단 전압(직류 링크 전압:Vdc)을 측정하는 역할을 하며, 측정된 커패시터(300)의 양단 전압 정보는 컨트롤러(500)에 전달되어 과전압 여부가 발생하였는지 여부를 판단하는데 사용될 수 있다.
회전각 센서(700)는 모터(400)의 회전자의 위치, 즉 모터 회전자의 회전각을 검출하는 요소로서, 모터(400)의 회전자의 각도를 검출하고, 검출된 회전자의 회전각에 대한 정보를 포함하는 회전각 검출 신호를 연속적으로 출력하는 역할을 한다. 실시예에 따라, 회전각 센서(700)는 레졸버 등으로 구현될 수 있다.
전류 센서(900)는 인버터(200)로부터 출력되어 모터(400)의 상에 입력되는 전류를 측정하는 역할을 한다. 실시예에 따라, 모터(400)가 a,b,c 상을 갖는 3상 모터인 경우, 전류 센서(900)는 a,b,c 상 중 적어도 두개의 상에 입력되는 전류를 측정할 수 있도록 두개 이상 구비될 수 있다.
컨트롤러(500)는 기본적으로 모터(400)의 토크를 원하는 값(토크 지령)으로 제어하기 위해 인버터(200)의 스위칭 소자(S1-S6)의 듀이 사이클(듀티 비)를 적절하게 조정하는 펄스폭 변조 방식의 제어를 수행할 수 있다.
이러한 제어를 위해, 컨트롤러(500)는 전압 센서(600)에서 측정된 커패시터(300)의 양단 전압이 기 설정된 제1 전압 이상인 경우, 모터(400)가 외부에서 입력되는 모터(400)에 대한 토크 지령치(모터를 통해 얻고자 하는 토크 목표치)에 대응되는 값을 출력할 수 있도록 인버터(200) 내의 스위칭 소자들(S1-S6)을 제어한다.
구체적으로, 컨트롤러(500)는 모터의(400) 구동 중 모터(400)에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*) 맵이 저장된 메모리(510), 전압 센서로부터 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 과전압 검출부(520), 모터로부터 피드백된 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)가 메모리에 저장된 d축 전류지령(Id*) 및 q축 전류지령(Iq*)을 추종하도록 하기 위한 전압 지령(Vd*, Vq*)을 생성하는 전류 제어기(530) 및 생성된 전압 지령(Vd*, Vq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자들을 동작시키는 스위칭 소자 제어기(540)를 포함할 수 있다.
여기서, 메모리(510)에 저장된 전류 지령(Id*, Iq*)은, 컨트롤러(500)에 의해 복수의 스위칭 소자가 구동될 시, 제1 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제5 스위칭 소자(S1, S3, S5) 또는 제2 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자(S2, S4, S6)가 온(ON)되도록 함으로써, 모터의(400) 구동 중 제로벡터가 모터(400)에 인가되도록 하여 모터(400)에 마이너스 토크가 발생되도록 하는 전류 지령 값이다. 이러한 전류 지령 값은 각 모터마다 상이한 값을 가질 수 있다.
다시 말해, 메모리(510)에 저장된 전류 지령(Id*, Iq*)은 모터에 제로벡터가 인가되어 모터에서 마이너스 토크가 발생되도록 하는 지령 값으로서, 모터에 입력되는 전류가 해당 전류 지령을 추종하도록 인버터의 스위칭 소자들을 제어하면, 모터에서 마이너스 토크가 발생될 수 있는 것이다. 여기서, 전류지령은 모터의 구동 중 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 특성 전류 값의 전류지령일 수 있으며, 이러한 전류지령 값은 모터마다 상이한 값을 가질 수 있다.
아울러, 컨트롤러(500)는 2상 좌표를 3상 좌표 변환하거나, 3상 좌표를 2상 좌표로 변환하는 좌표 변환부를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 모터(400)가 a,b,c 상을 갖는 3상 모터인 경우, 좌표 변환부는 d축 전류 및 q 축 전류(Id, Iq)를 a,b,c의 3상 전류(Ia,Ib,Ic)로 변환하거나, a,b,c의 3상 전류(Ia,Ib,Ic)를 d축 전류 및 q축 전류(Id,Iq)로 변환시킬 수 있다. 이와 같은 2상 좌표를 3상 좌표로 변환하거나, 3상 좌표를 2상 좌표로 변환하는 것은 기 공지된 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로 보호하는 시스템의 작동원리에 대해 설명하기로 한다.
도 3과 같이 고장이 발생하지 않은 정상 상태에서는 회생 제동 시 모터(400)의 회생 에너지가 커패시터(300)에 충전됨으로써, 커패시터(300)의 전압이 상승할 수 있다. 전압 센서(600)는 커패시터(300)의 양단 전압을 측정하고, 측정된 커패시터(300)의 양단 전압을 컨트롤러(500)에 전달하며, 컨트롤러(500)에서는 커패시터의 전압이 기 설정된 제1 전압 이상이 되었는지를 판단하게 된다. 여기서, 제1 전압은 실험 값에 의해 추출된 값으로서 인버터에 포함된 스위칭 소자를 소손시킬 수 있는 크기의 전압일 수 있다.
만약, 전압 센서(600)에서 측정된 커패시터(300)의 전압이 기 설정된 제1 전압 이상으로 판단되면, 컨트롤러(500)는 도 4와 같이 에너지 저장장치(100)와 모터(400)를 연결하는 릴레이(800)를 오프시킨다.
한편, 컨트롤러(500)는 도 4와 같이 에너지 저장장치(100)와 모터(400)를 연결하는 릴레이(800)를 오프시킨 후, 인버터 내의 스위칭 소자의 소손을 방지하기 위해 커패시터(300)의 전압이 방전되도록 해야하는데, 본 발명에 따른 컨트롤러(500)에서는 메모리에 기 저장된 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작 시킴으로써, 커패시터(300)의 전압이 방전되도록 할 수 있다.
도 4와 같이 릴레이(400)가 오프된 경우, 커패시터(300), 인버터(200) 및 모터(400) 간 폐루프 회로가 형성되는데, 이와 같은 폐루프 회로에서 커패시터(300)에 충전된 전압으로 인버터 내의 스위칭 소자의 제어를 통해 모터(400)를 구동시킴으로써, 커패시터(300)의 전압을 방전시킬 수 있다.
한편, 도 4와 같이 릴레이(400)가 오프되고 커패시터(300)의 전압을 방전시키는 과정에서, 코스트주행 및 내리막 주행 시에는 모터의 역기전력으로 인해 커패시터(300)의 전기 에너지가 급격하게 상승하여 인버터를 소손시킬 수 있는 문제가 발생할 수 있는데, 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 커패시터(300)의 전압을 방전시키는 과정 중 코스트주행 및 내리막 주행 시에 모터의 역기전력이 발산하는 것을 억제해야 할 필요가 있다. 이때, 모터의 역기전력이 발산하는 것을 방지하기 위해서는 모터의 속도를 감속시킬 필요가 있다. 본 발명에서는 모터(400)의 구동 중 모터(400)에 제로벡터를 인가시켜 모터에 마이너스 토크가 발생되도록 하여, 모터의 역기전력이 발산하는 것을 방지할 수 있는 전류 지령(Id*, Iq*)에 응답해서 인버터 내의 스위칭 소자를 제어함으로써, 모터의 역기전력이 발산하는 문제를 해결할 수 있다.
다시 말해, 컨트롤러(500)는 전압 센서(600)에서 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상이면, 릴레이(800)를 오프시키고, 인버터(200)에서 모터(400)로 제공되는 전류가 메모리에 기 저장된 전류 지령을 추종하도록 함으로써, 커패시터의 전압을 방전시키는 동시에 모터의 역기전력이 발산하는 것을 억제할 수 있다.
한편, 컨트롤러(500)는 전압 센서(600)에서 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상인 경우, 도 4와 같이 릴레이(800)를 오프시키고, 인버터(200)에서 모터(400)로 제공되는 전류가 메모리에 기 저장된 전류 지령을 추종하도록 함으로써, 커패시터의 전압을 기 설정된 제2 전압까지 방전시킬 수 있고, 커패시터의 전압이 제2 전압까지 방전되도록 한 후, 도 6과 같이 커패시터(300)의 전압이 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지되도록 할 수 있다.
구체적으로, 컨트롤러(500)는 커패시터의 양단 전압이 제2 전압을 기준으로 오차범위 미만으로 감소하면 회생 제동을 통해 커패시터의 전압을 상승시킬 수 있고, 커패시터의 양단 전압이 제2 전압을 기준으로 오차범위를 초과하면, 모터의 구동을 통해 커패시터의 전압을 방전시킴으로써, 커패시터의 전압을 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지시킬 수 있다.
한편, 도면에 상세히 표시하지는 않았으나, 차량 내에 포함된 다수의 전장품들은 에너지 저장장치(100)와 회로적으로 연결되고, 해당 전장품들은 에너지 저장장치(100)로부터 전력을 공급받아 구동되는데 도 4와 같이 릴레이(800)가 오프된 상황에서 다수의 전장품들은 에너지 저장장치(100)와의 회로적 연결이 차단되어 전력을 공급받을 수 없는 상황이 되어 안전사고가 발생할 수 있는 문제가 있었다.
본 발명에서는 상술한 문제를 해결하기 위해, 도 4와 같이 릴레이가 오프된 상황에서, 컨트롤러(500)는 커패시터(300)의 전압을 제2 전압까지 방전시키되 상술한 방식에 따라 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지되도록 함으로써, 커패시터(300)에 저장된 에너지를 차량 내의 다수의 전장품들에 공급함으로써 해당 전장품들의 구동시간을 늘릴 수 있고, 안전사고가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 컨트롤러(500)에서 커패시터(300)의 전압을 일정전압 수준으로 유지시킴으로써, 주행 중 재시동을 실시할 시 커패시터의 프리차지 시간을 줄일 수 있기 때문에 재시동 시 빠른 차량의 응답성을 가질 수 있다.
도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템을 설명하면, A 구간에서와 같이 커패시터의 전압이 상승하여 제1 전압 이상이 되면, 컨트롤러는 에너지 저장장치와 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키고, 모터의 구동 중 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시켜 모터를 구동시킴으로써 B 구간에서와 같이 커패시터의 전압을 방전시킬 수 있다.
아울러, 컨트롤러(500)는 커패시터의 전압을 방전시키되 커패시터의 전압이 제2 전압에 도달하면 C 구간에서와 같이 커패시터의 전압이 제2 전압을 기준으로 오차범위 이내로 유지되도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법의 흐름도이다. 도 8과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법은 전압 센서에서 측정된 커패시터의 양단 전압 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계; 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상이면, 에너지 저장장치와 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키는 단계; 및 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류지령(Id*, Iq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 전압 센서에서 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계 이전에, 메모리에 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*) 맵을 저장하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
아울러, 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류지령(Id*, Iq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계는, 전류 제어기에서 모터로부터 피드백된 d축 전류 (Id)및 q축 전류(Iq)가 메모리에 저장된 d축 전류지령(Id*) 및 q축 전류지령(Iq*)을 추종하도록 하기 위한 전압 지령(Vd*, Vq*)을 생성하는 단계; 및 스위칭 소자 제어기에서 상기 생성된 전압 지령(Vd*, Vq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상이면, 에너지 저장장치와 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키는 단계 이후에, 커패시터의 전압이 기 설정된 제2 전압까지 방전되도록 하는 단계; 및 커패시터의 전압을 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 커패시터의 전압을 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지시키는 단계에서는, 컨트롤러에서, 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 미만으로 감소하면 회생 제동을 통해 커패시터의 전압을 상승시키고, 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위를 초과하면 모터의 구동을 통해 커패시터의 전압을 방전시킬 수 있다.
한편, 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법의 각 단계에서의 구체적인 기술적인 특징은 앞서 설명한 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템의 세부 구성의 기술적 특징과 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
100: 에너지 저장장치 200: 인버터
210: 제1 레그 S1: 제1 스위칭 소자
S2: 제2 스위칭 소자 220: 제2 레그
S3: 제3 스위칭 소자 S4 제4 스위칭 소자
230: 제3 레그 S5: 제5 스위칭 소자
S6: 제6 스위칭 소자
300: 커패시터 400: 모터
500: 컨트롤러 510: 메모리
520: 과전압 검출부 530: 전류 제어기
540: 스위칭 소자 제어기
600: 전압 센서 700: 회전각 센서
800: 릴레이 900: 전류 센서

Claims (12)

  1. 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 에너지 저장장치로부터 제공된 에너지를 교류전력으로 변환하는 인버터;
    상기 인버터에서 변환된 교류 전력을 제공받아 구동되는 모터;
    상기 인버터 및 상기 에너지 저장장치 사이에 병렬로 연결되며, 회생 제동 시 상기 모터의 회생 에너지가 저장되는 커패시터; 및
    전압 센서에서 측정된 상기 커패시터의 전압(DC-링크 전압)이 기 설정된 제1 전압 이상인 경우, 상기 에너지 저장장치와 상기 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키고, 기 저장된 상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*)에 응답하여 상기 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 컨트롤러;를 포함하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터는,
    제1 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자 하단에 위치하는 제2 스위칭 소자를 포함하는 제1 레그;
    제3 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자를 포함하는 제2 레그; 및
    제 5 스위칭 소자 및 상기 제5 스위칭 소자 하단에 위치하는 제6 스위칭 소자를 포함하는 제3 레그;를 포함하며,
    상기 제1 레그, 제2 레그 및 제3 레그의 출력단은 상기 모터의 각 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전류 지령(Id*, Iq*)은, 상기 복수의 스위칭 소자가 구동될 시, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제5 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자가 온(on)되도록 함으로써, 상기 모터의 구동 중 제로벡터가 상기 모터에 인가되도록 하여 상기 모터에 마이너스 토크가 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 모터의 구동 중 상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*) 맵이 저장된 메모리;
    전압 센서로부터 측정된 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 과전압 검출부;
    상기 모터로부터 피드백된 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)가 상기 메모리에 저장된 d축 전류지령(Id*) 및 q축 전류지령(Iq*)을 추종하도록 하기 위한 전압 지령(Vd*, Vq*)을 생성하는 전류 제어기; 및
    상기 생성된 전압 지령(Vd*, Vq*)에 응답하여 상기 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 스위칭 소자 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    측정된 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제1 전압 이상이면, 상기 릴레이를 오프시키고, 상기 인버터에서 상기 모터로 제공되는 전류가 상기 전류 지령을 추종하도록 하는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제1 전압 이상 경우, 상기 릴레이를 오프시키고, 상기 커패시터의 전압이 기 설정된 제2 전압까지 방전되도록 한 후, 상기 커패시터의 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 미만으로 감소하면 회생 제동을 통해 상기 커패시터의 전압을 상승시키고, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위를 초과하면 상기 모터의 구동을 통해 커패시터의 전압을 방전시키는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 시스템.
  8. 전압 센서에서 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상이면, 에너지 저장장치와 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키는 단계; 및
    상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류지령(Id*, Iq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계;를 포함하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법
  9. 청구항 8에 있어서,
    전압 센서에서 측정된 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계 이전에,
    메모리에 상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류 지령(Id*, Iq*) 맵을 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 모터에 제로벡터가 인가되도록 하는 전류지령(Id*, Iq*)에 응답하여 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계는,
    전류 제어기에서 상기 모터로부터 피드백된 d축 전류 (Id)및 q축 전류(Iq)가 상기 메모리에 저장된 d축 전류지령(Id*) 및 q축 전류지령(Iq*)을 추종하도록 하기 위한 전압 지령(Vd*, Vq*)을 생성하는 단계; 및
    스위칭 소자 제어기에서 상기 생성된 전압 지령(Vd*, Vq*)에 응답하여 상기 인버터 내의 스위칭 소자를 동작시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 커패시터의 양단 전압이 제1 전압 이상이면, 에너지 저장장치와 모터를 연결하는 릴레이를 오프시키는 단계 이후에,
    상기 커패시터의 전압이 기 설정된 제2 전압까지 방전되도록 하는 단계; 및
    상기 커패시터의 전압을 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 커패시터의 전압을 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위 내로 유지시키는 단계에서는,
    상기컨트롤에서, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위를 미만으로 감소하면 회생 제동을 통해 상기 커패시터의 전압을 상승시키고, 상기 커패시터의 양단 전압이 상기 제2 전압을 기준으로 오차범위를 초과하면 상기 모터의 구동을 통해 커패시터의 전압을 방전시키는 것을 특징으로 하는 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
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