WO2013089514A1

WO2013089514A1 - 전기자동차 및 그 제어방법

Info

Publication number: WO2013089514A1
Application number: PCT/KR2012/010956
Authority: WO
Inventors: 박상민
Original assignee: (주)브이이엔에스
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-06-20
Also published as: KR20130070672A

Abstract

본 발명은 전기자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기자동차의 제어방법은 PRA(Power relay assembly)가 릴레이 오프명령을 수신하는 제1 시점을 측정하는 단계, 상기 릴레이 오프명령에 따라, 메인릴레이를 오프시키는 단계, 모터제어부의 DC 링크 전압이 감소하기 시작하는 제2 시점을 측정하는 단계 및 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 차이시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 PRA의 이상여부를 판단하고, 상기 PRA의 이상여부를 외부로 출력하는 단계를 포함한다.

Description

전기자동차 및 그 제어방법

본 발명은 전기자동차 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PRA가 릴레이 오프명령을 수신한 제1 시점과 모터제어부의 DC링크전압이 감소하는 제2 시점의 차이시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 릴레이의 이상여부를 판단하고, 그 이상여부를 출력하는 전기자동차 및 그 제어방법에 관한 것이다.

전기자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.

전기자동차(EV ; Electric vehicle)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기자동차와 하이브리드 전기자동차로 분류되며, 배터리전용 전기자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하며, 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 배터리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.

또한, 하이브리드 전기자동차는 직렬 방식과 병렬 방식으로 분류될 수 있으며, 직렬 방식은 엔진에서 출력되는 기계적 에너지는 발전기를 통하여 전기적 에너지로 바뀌고 이 전기적 에너지가 배터리나 모터로 공급되어 차량은 항상 모터로 구동되는 자동차로 기존의 전기자동차에 주행거리의 증대를 위하여 엔진과 발전기를 추가시킨 개념이고, 병렬 방식은 배터리 전원으로도 차를 움직이게 할 수 있고 엔진(가솔린 또는 디젤)만으로도 차량을 구동시키는 두 가지 동력원을 사용하고 주행조건에 따라 병렬 방식은 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있다.

또한, 최근 모터/제어기술도 점점 발달하여 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있다. DC모터를 AC모터로 변환함에 따라 출력과 EV의 동력성능(가속성능, 최고속도)이 크게 향상되어 가솔린차에 비하여 손색없는 수준에 도달하였다. 고출력화를 추진하면서 고회전화 함에 따라 모터가 경량소형화되어 탑재 중량이나 용적도 크게 감소하였다.

이러한 전기자동차는 고전압을 스위칭하기 위한 복수의 릴레이를 포함하는데, 이러한 릴레이는 그 접점이 분리되는 순간 스파크가 발생하게 되고, 릴레이의 사용 특성상 온-오프가 빈번하게 반복되면, 릴레이가 노화되게 된다. 따라서 노후된 릴레이를 적기에 교체하지 않으면, 릴레이의 주요 고장 원인인 릴레이의 오동작이나 융착등이 발생하여 차량 주행시 사고 발생의 원인이 될 수 있다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 릴레이의 상태를 모니터링 함으로써, 릴레이가 노화된 경우, 릴레이의 고장 발생 전에 교체시기를 운전자에게 알려주는 전기자동차 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기자동차의 제어방법은 PRA(Power relay assembly)가 릴레이 오프명령을 수신하는 제1 시점을 측정하는 단계, 상기 릴레이 오프명령에 따라, 메인릴레이를 오프시키는 단계, 모터제어부의 DC 링크 전압이 감소하기 시작하는 제2 시점을 측정하는 단계 및 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 차이시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 PRA의 이상여부를 판단하고, 상기 PRA의 이상여부를 외부로 출력하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 전기자동차는 전기에너지를 저장하는 배터리, 메인제어부의 릴레이 오프명령에 따라 모터제어부로 인가되는 상기 배터리의 전원을 차단하는 PRA(Power relay assembly), 상기 PRA가 릴레이 오프명령을 수신한 제1 시점과 상기 모터제어부의 DC 링크 전압이 감소하기 시작하는 제2 시점의 차이 시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여, 상기 PRA의 이상여부를 판단하는 메인제어부 및 외부로 상기 PRA의 이상여부를 출력하는 인터페이스부를 포함한다.

본 발명에 따른 전기자동차 및 그 제어방법은 PRA에서 릴레이 오프명령을 수신한 제1 시점과 모터제어부의 DC링크 전압이 감소하는 제2 시점을 모니터링 함으로써 별도의 부가장치 없이 릴레이의 이상여부를 판단할 수 있다.

또한, 릴레이의 이상여부를 판단하여, 그 이상여부를 출력함으로써, 운전자가릴레이 교체 시기를 인식할 수 있다.

따라서, 릴레이가 고장나기 전에 릴레이를 교체함으로써 전기자동차의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 릴레이 제어 시스템의 회로도를 개략적으로 나타낸 도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이의 이상여부를 판단하여 이상을 표시하는 제어흐름을 나타낸 도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의한 전기자동차 및 그 제어방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차는 메인제어부(VCM)(110), 모터제어부(MCU)(120), 모터(130), 센서부(140), PRA(150), 배터리(160), BMS(170), 인터페이스부(180)를 포함한다.

전기자동차는 상기와 같이 배터리(160)를 포함하여, 배터리에 충전된 전원을 동작전원으로 이용하여 동작하며, 소정의 충전소 또는 차량 충전설비 또는 가정에서 외부로부터 전원을 공급받아 구비되는 배터리(160)를 충전한다.

배터리(160)는 복수의 배터리셀로 구성되어, 고전압의 전기에너지를 저장한다. 이 때, 전기자동차는 배터리(160)의 충전을 제어하고 배터리(160)의 잔여용량, 충전 필요성을 판단하며, 배터리(160)에 저장된 충전전류를 전기자동차의 각 부로 공급하는데 따른 관리를 수행하는 BMS(Battery management system)(170)를 더 포함한다.

BMS(170)는 배터리(160)를 충전하고 사용할 때, 배터리 내의 셀 간의 전압차를 고르게 유지하여, 배터리(160)가 과충전되거나 과방전되지 않도록 제어함으로써 배터리(160)의 수명을 연장한다.

BMS(170)는 현재 배터리(160)의 배터리 잔량 및 배터리 전압을 측정하여 메인제어부(110)에 출력한다.

PRA(Power relay assembly)(150)는 고전압을 스위칭하기 위해 프리차지 릴레이 (+)단 메인릴레이 및 (-)단 메인 릴레이를 포함하는 복수의 릴레이와, 센서를 포함하여 배터리(160)로부터 인가되는 고전압의 동작전원을 모터제어부(120)로 인가하거나 차단한다. 이때 PRA(150)는 메인제어부(110)의 제어명령에 의해 릴레이가 동작한다.

PRA(150)는 차량 시동 시 또는 차량의 시동이 꺼지는 경우, 메인제어부(110)의 제어명령에 따라, 구비되는 복수의 릴레이를 소정 순서에 따라 스위칭 함으로써, 차량의 각 부로 배터리(160)에 저장된 고전압의 동작전원이 인가되도록 한다.

PRA(150)는 배터리(160)로부터 모터제어부(120)로 인가되는 전원을 차단할 수 있으며, 모터(130)로 공급되는 전원이 차단되므로 모터(130)가 정지하게 됨에 따라 차량 또한 정지하게 된다.

모터제어부(120)는 모터제어부(120)에 연결되어 있는 적어도 하나의 모터(130)를 구동하기 위한 제어신호를 생성하는데 모터제어를 위한 소정의 신호를 생성하여 인가한다. 이때 모터제어부(120)는 인버터(미도시) 및 컨버터(미도시)를 포함하여 인버터 또는 컨버터를 제어함으로써 모터(130)의 구동을 제어할 수 있다.

메인제어부(Vehicle control module: VCM)(110) 는 차량 주행 및 동작에 따른 전반을 제어한다. 메인제어부(110)는 인터페이스부(180) 및 센서부(140)의 입력에 대응하여 설정된 동작이 수행되도록 모터제어부(120)로 소정의 명령을 생성하여 인가하여 제어하고, 데이터의 입출력을 제어한다.

또한, 메인제어부(110)는 PRA(150)로 릴레이 온/오프 명령을 생성하여 인가하며, PRA(150)가 온/오프 명령을 수신한 제1 시점 및 모터제어부(120)의 DC 링크전압이 감소하기 시작하는 제2 시점을 모니터링한다. 이 때, 제1 시점과 제2 시점의 차이시간과 기 설정된 기준시간과 비교하여 PRA(150)의 이상여부를 판단하고, 그 이상여부를 출력하도록 제어한다.

센서부(140)는 차량 주행, 또는 소정 동작 중에 발생하는 신호를 감지하여 이를 메인제어부(110)로 입력한다. 센서부(140)는 차량 내부 및 외부에 복수의 센서를 포함하여 다양한 감지신호를 입력한다. 이때 설치되는 위치에 따라 센서의 종류 또한 상이할 수 있다. 센서부(140)는 토크값 계산을 위하여 휠(wheel) 속력을 감지하는 휠 센서, 차량의 기울기를 감지하는 슬로프(slope) 센서를 포함한다.

센서부(140)는 복수의 센서를 포함하며 모터(130)의 입력전류 및 모터(130)의 로우터 각도를 측정하여 모터제어부(120)로 측정값을 전송할 수 있다.

인터페이스부(180)는 운전자의 조작에 의해 소정의 신호를 입력하는 입력수단과, 전기 자동차의 현 상태 동작 중 정보를 외부로 출력하는 출력수단을 포함한다.

입력수단은 스티어링 휠, 액셀레이터, 브레이크와 같은 운전을 위한 조작수단을 포함한다. 엑셀레이터는 토크값 연산을 위한 가속 정보를 출력하고, 브레이크는 토크값 연산을 위한 제동 정보를 출력한다.

또한, 입력수단은 차량 주행에 따름 방향지시등, 테일램프, 헤드램프, 브러시 등의 동작을 위한 복수의 스위치, 버튼 등을 포함한다.

출력수단은 정보를 표시하는 디스플레이부, 음악, 효과음 및 경고음을 출력하는 스피커 그리고 각종 상태 등을 포함한다. 따라서, 메인제어부(110)에서 PRA(150)에 이상이 있다고 판단한 경우, 출력수단을 통하여 운전자에게 표시할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 릴레이 제어시스템의 회로도를 개략적으로 나타낸 도이다.

도 2를 참조하면, 도 1에서 상술한 바와 같이 배터리(160)에는 고전압의 전원이 저장되며, 복수의 릴레이를 포함하는 PRA(150)에 의해서 고전압을 모터제어부(120)의 인버터(125)로 인가하거나 차단할 수 있다.

PRA(150)는 배터리(160)와 인버터(125)를 연결하는 (+)전원 라인에 설치되어 있는 (+)단 메인릴레이(152), 배터리(160)와 인버터(125)를 연결하는 (-)전원 라인에 설치되어 있는 (-)단 메인릴레이(153), (+)단 메인릴레이(152)와 병렬로 연결되어 있는 프리차지 릴레이(151) 및 프리차지 릴레이(151)의 후단에 연결되어 있는 저항을 포함할 수 있다.

(+)단 메인릴레이(152), (-)단 메인릴레이(153) 및 프리차지 릴레이(151)는 메인제어부(110)의 제어에 따라 배터리(160)와 인버터(125)를 전기적으로 연결하거나 차단할 수 있다.

또한, 인버터(125)의 앞단에는 DC 링크 캐패시터(123)가 병렬로 연결되어 있고, 인버터(125)는 배터리(160)에서 출력된 직류를 교류로 변환하여 모터(130)로 전달하여 모터(130)를 구동시킬 수 있다.

상기 릴레이들(151,152,153)의 동작순서는 메인제어부(110)의 릴레이 온 명령에 따라 (-)단 메인릴레이(153)를 온시키고, 다음으로 프리차지 릴레이(151)를 온시킴으로써 저항을 통해 DC링크 캐패시터(123)를 충전시킬 수 있다.

상기와 같이 프리차지 릴레이(151)를 통하여 DC 링크 캐패시터(123)를 충전시킴으로써 (+)단 메인릴레이(152) 접속시 아크가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

다음으로 (+)단 메인릴레이(152)를 온시킨 후 DC 링크 캐패시터(123)가 일정전압이 되면, 프리차지릴레이(151)를 오프시킨다. 메인제어부(110)로부터 릴레이 오프명령을 수신하는 경우, (-)단 메인릴레이(153)를 오프시킨후, (+)단 메인릴레이(152)를 오프시켜 배터리(160)와 인버터(125)의 연결을 차단할 수 있다. 다만, 복수의 릴레이들(151,152,153)의 동작순서는 상술한 순서에 한정되지 않고 변형이 가능하다.

이때, (+)단 메인릴레이(152) 또는 (-)단 메인릴레이(153)가 오프되는 경우, 배터리(160)와 인버터(125)의 연결이 차단되고, DC 링크 캐패시터(123)가 방전되면서, DC 링크 전압(127)이 감소하게 된다.

이때, 메인제어부(110)는 PRA(150)에서 릴레이 오프명령을 수신한 제1 시점(T1)과 DC 링크 전압(127)이 감소하기 시작하는 제2 시점(T2)간의 차이시간(△T)을 모니터링할 수 있다.

메인제어부(110)는 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 차이시간(△T)과 기 설정된 기준시간(T3)을 비교하여 PRA(150)의 이상여부를 판단할 수 있다.

릴레이가 노화되기 시작하면 PRA(150)가 릴레이 오프명령을 수신(제1 시점)하고 릴레이가 접점에서 분리되어 DC링크 전압이 감소(제2 시점)되기 까지 걸리는 시간(△T)이 점점 증가하게 되므로, 이상여부는 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 차이시간(△T)과 기 설정된 기준시간(T3)을 비교하여, 차이시간(△T)이 기준시간(T3)보다 큰 경우 PRA(150)에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다.

메인제어부(110)는 PRA(150)에 이상이 있는 것으로 판단되면, 그 이상횟수를 카운트할 수 있고, 경고음, 경고등, 경고메시지 중 적어도 하나를 출력함으로써 이상을 표시할 수 있다.

도 3을 참조하면, 메인제어부(110)는 PRA(150)에 릴레이 오프명령을 내리고, PRA(150)가 릴레이 오프명령을 수신한 제1 시점(T1)을 측정한다(S310). 릴레이 오프명령에 따라 (-)메인 릴레이(153) 또는 (+)메인 릴레이(152)의 접점이 떨어지고, 배터리(160)와 모터제어부(120)의 인버터(125)간의 회로 연결이 차단되면, 인버터(125) 앞단에 병렬로 연결된 DC 링크 캐패시터(123)가 방전을 시작하면서, DC 링크 전압(127)이 감소하기 시작한다. 이 때, 메인제어부(110)는 DC 링크 전압(127)이 감소하는 제2 시점(T2)을 측정한다(S320).

메인제어부(110)는 측정된 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 차이시간(?T)을 계산하고, 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 차이시간(?T)과 기 설정된 기준시간(T3)을 비교하여, 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 차이시간(?T)이 기 설정된 기준시간(T3)보다 큰 지를 판단한다(S330). 비교결과, 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2)의 차이시간(△T)이 기 설정된 기준시간(T3)보다 큰 경우, 경고음, 경고등, 경고메시지 중 적어도 하나를 출력함으로써 PRA(150)의 이상을 표시하고, 그 이상 횟수를 카운트한다(S340).

메인제어부(110)는 카운트 된 이상횟수를 기 설정된 제한횟수와 비교하여(S350), 카운트 된 이상횟수가 기 설정된 제한횟수를 초과하면, 경고음, 경고메시지 중 적어도 하나를 출력함으로써 PRA(150)의 수명경고표시를 출력한다(S360).

따라서, 본 발명에 따른 전기자동차 및 제어방법은 상술한 제1 시점(T1), 제2 시점(T2)을 모니터링 함으로써 PRA(150)의 이상여부를 판단할 수 있고, 운전자에게 이상여부를 표시할 수 있으며, 운전자는 PRA(150)의 상태를 감지할 수 있다. 이에 따라, PRA(150) 부품의 적절한 교체시기를 예측할 수 있어, 전기자동차의 신뢰성 및 안전성을 강화할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims

PRA(Power relay assembly)가 릴레이 오프명령을 수신하는 제1 시점을 측정하는 단계;

상기 릴레이 오프명령에 따라, 메인릴레이를 오프시키는 단계;

상기 메인릴레이와 연결된 모터제어부의 DC 링크 전압이 감소하기 시작하는 제2 시점을 측정하는 단계; 및

상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 차이시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 PRA의 이상 여부를 판단하고, 상기 PRA의 이상 여부를 외부로 출력하는 단계를 포함하는 전기자동차의 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 비교결과, 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 차이시간이 기 설정된 시간보다 큰 경우, 상기 PRA에 이상이 있는 것으로 판단하고, 외부로 상기 PRA 이상을 출력하는 전기자동차의 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 비교결과, 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 차이시간이 기 설정된 시간보다 큰 경우, 그 횟수를 카운트하는 전기자동차의 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 카운트된 횟수가 기 설정된 제한횟수를 초과하는 경우, 외부로 상기 PRA의 수명 경고를 출력하는 전기자동차의 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 PRA의 이상 여부는 경고등, 경고음 및 경고메시지 중 적어도 어느 하나로 출력하는 전기자동차의 제어방법.
전기에너지를 저장하는 배터리;

메인제어부의 릴레이 오프명령에 따라 모터제어부로 인가되는 상기 배터리의 전원을 차단하는 PRA(Power relay assembly);

상기 PRA가 릴레이 오프명령을 수신한 제1 시점과 상기 모터제어부의 DC 링크 전압이 감소하기 시작하는 제2 시점의 차이 시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여, 상기 PRA의 이상 여부를 판단하는 메인제어부; 및

외부로 상기 PRA의 이상 여부를 출력하는 인터페이스부를 포함하는 전기자동차.
제6항에 있어서,

상기 메인제어부는, 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 차이시간이 기 설정된 기준시간보다 큰 경우, 상기 PRA에 이상이 있는 것으로 판단하고, 상기 인터페이스부가 상기 PRA 이상을 출력하도록 제어하는 전기자동차.
제6항에 있어서,

상기 메인제어부는 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 차이시간이 기 설정된 기준시간보다 큰 경우, 그 횟수를 카운트하도록 제어하는 전기자동차.
제8항에 있어서,

상기 메인제어부는 상기 카운트된 횟수가 기 설정된 제한횟수를 초과하는 경우, 상기 인터페이스부가 상기 PRA 수명 경고를 출력하도록 제어하는 전기자동차.
제6항에 있어서,

상기 인터페이스는 상기 PRA의 이상 여부를 경고등, 경고음 및 경고메시지 중 적어도 어느 하나로 출력하는 전기자동차.
제6항에 있어서,

상기 PRA는 메인릴레이를 포함하고, 상기 메인릴레이를 오프시킴으로써, 상기 모터제어부로 인가되는 상기 배터리의 전원을 차단하는 전기자동차.
제6항에 있어서,

상기 모터제어부는 상기 PRA와 연결된 DC 링크 캐패시터를 포함하고, 상기 DC 링크 캐패시터가 방전되는 경우, 상기 DC 링크 전압이 감소하기 시작하는 전기자동차.