KR101091636B1 - 모터의 전력 케이블 단락 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차/하이브리드 자동차/연료전지 자동차에 적용되는 모터에 구동전력을 전달하는 전력 케이블의 단락을 검출하는 방법이 개시된다.
본 발명은 인버터에서 모터에 공급되는 상별 전류를 설정된 간격으로 전류센서를 통해 모니터링 하여 과전류 발생을 검출하는 과정, 상별 전류 모니터링에서 과전류 발생이 검출되면 전력 케이블 단락 플래그를 설정하고, 인버터의 제어를 종료하는 과정, 과전류 발생이 검출되어 전력 케이블의 단락 플래그가 설정되면 전류센서의 상태를 모니터링 하여 전류센서의 고장여부를 판정하는 과정, 전류센서가 정상으로 판정되면 상별 전류의 상승 기울기를 검출하여 설정된 기준 기울기와 비교하는 과정, 전류의 상승 기울기가 설정된 기준 기울기를 초과하면 해당 상을 전달하는 전력 케이블을 단락으로 판정하여 인버터의 제어 종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정, 전류의 상승 기울기가 설정된 기준 기울기를 초과하지 않으나 과전류 검출이 설정횟수 이상 반복되면 해당 상에 대하여 인버터 전력소자의 불량으로 판정하고, 인버터의 제어종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정을 포함한다.

Description

모터의 전력 케이블 단락 검출방법{POWER CABLE SHORT DETECTION METHOD OF MOTOR}

본 발명은 전기자동차/하이브리드 자동차/연료전지 자동차에 적용되는 모터에 구동전력을 전달하는 전력 케이블의 단락(Short)을 검출하는 모터의 전력 케이블 단선 검출방법에 관한 것이다.

전기자동차/하이브리드 자동차/연료전지 자동차에는 구동수단으로 영구자석형 모터가 적용된다.

상기한 자동차에 구동수단으로 적용되는 모터는 제어기의 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 의해 직류전압을 3상 전압으로 변환시키는 인버터로부터 전력 케이블을 통해 전달되는 전압 및 전류에 의해 구동된다.

따라서, 인버터에서 출력되는 3상 전압을 모터에 공급하는 전력 케이블에 문제가 발생하는 경우 모터 구동이 원활히 이루어지지 않을 뿐만 아니라 고압, 고전류가 인버터에 유기되어 인버터를 파손시키는 치명적인 문제점이 발생된다.

또한, 모터에 동력을 전달하는 전력 케이블간에 단락이 발생되는 경우 큰 맥동 토크를 발생시켜 운전 불안전성을 발생시켜 사고 발생의 원인으로 작용하고, 모터와 기계적으로 연결된 기계부품을 파손시키게 된다.

특히, 전력 케이블간에 단락이 발생하는 경우 인버터를 구성하는 전력소자에 큰 전류가 도통되어 신속한 전류 차단이 이루어지지 않는 경우 전력소자의 열적 파괴를 발생시키게 된다.

종래에 적용되는 모터 케이블 단락 검출방법은, 모터 구동 전에 인버터에 순차적인 스위칭 시퀀스를 인가하여 각 상별(U,V,W) 전류를 측정하고, 측정된 각 상별(U,V,W) 전류에서 과전류가 검출되는 경우 해당 전력 케이블에 단락이 발생한 것으로 판정하고 있다.

이러한 모터 구동 전 초기 검출방법은 모터가 구동되는 상태에서 발생하는 단락 고장에 대해서는 검출할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 전력 케이블간의 단락에 의한 과전류의 검출이 전력소자의 단락 등에 의한 원인으로 잘못 판정할 수 있는 문제점이 있다.

다른 방법으로, 인버터에서 출력되는 3상(U,V,W) 전류를 모터에 공급하는 전력 케이블간에 단락이 발생하는 경우 전류센서에서 검출되는 단락된 상별 전류는 정상적인 전류와 비교하여 전혀 다른 전류로 검출되고, 전력 케이블간에 단락이 발생된 2상의 전류와 정상적인 전력 케이블의 상 전류의 합이 "0A(제로 암페어)"로 검출되지 않는 상전류 불평형 원리를 이용하여 단락 고장을 판정하고 있다.

그러나, 모터 상전류 불평형 원리를 이용하는 방법은 인버터의 전류 제어 불능이나 과전류 오류로 검출되어 그 고장 항목에 대한 구분이 모호하며 단락이 발생된 2상의 구분이 불가능하여 고장 판정에 따른 대처 방안이 적절하게 이루어지지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 인버터에서 출력되는 3상 전류를 모터의 각 상에 전달하는 전력 케이블간의 단락을 명확하게 검출하여 내구성 및 신뢰성을 제공하는데 있다.

또한, 고전압의 발생이 전력 케이블간의 단락에 의한 원인인지 혹은 전력소자의 단락에 의한 원인인지를 명확하게 구분할 수 있도록 하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면 (a) 인버터에서 모터에 공급되는 상별 전류를 설정된 간격으로 전류센서를 통해 모니터링 하여 과전류 발생을 검출하는 과정; (b) 상별 전류 모니터링에서 과전류 발생이 검출되면 전력 케이블 단락 플래그를 설정하고, 인버터의 제어를 종료하는 과정; (c) 과전류 발생이 검출되어 전력 케이블의 단락 플래그가 설정되면 전류센서의 상태를 모니터링 하여 전류센서의 고장여부를 판정하는 과정; (d) 전류센서가 정상으로 판정되면 상별 전류의 상승 기울기를 검출하여 설정된 기준 기울기와 비교하는 과정; (e) 전류의 상승 기울기가 설정된 기준 기울기를 초과하면 해당 상을 전달하는 전력 케이블을 단락으로 판정하여 인버터의 제어 종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정; (f) 전류의 상승 기울기가 설정된 기준 기울기를 초과하지 않으나 과전류 검출이 설정횟수 이상 반복되면 해당 상에 대하여 인버터 전력소자의 불량으로 판정하고, 인버터의 제어종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정을 포함하는 모터의 전력 케이블 단락 검출방법이 제공된다.

상기 (a) 과정의 상별 전류 모니터링에서 과전류 발생이 검출되지 않으면 상별 전류를 공급하는 전력 케이블을 정상으로 판정하는 과정을 더 포함할 수 있다.

상기 (c) 과정에서 전류센서의 고장이 판정되면 과전류의 검출은 전류센서의 고장에 기인한 것으로 판정하고 인버터의 제어종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정을 더 포함할 수 있다.

상기 (c) 과정에서 전류센서의 고장 판정은 상별 전류와 고장 판정을 위해 설정된 기준전류와 비교하여 실행하며, 전류센서의 고장이 판정되면 전력 케이블의 단락 판정을 실행하지 않는 과정을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 전기자동차/하이브리드 자동차/연료전지 자동차 등에 적용되는 모터와 인버터를 연결하는 전력 케이블간의 단락 고장을 조기에 정확하게 검출함으로써 치명적인 소손을 방지할 수 있다.

또한, 전기자동차/하이브리드 자동차/연료전지 자동차에 적용되는 모터와 인버터를 연결하는 전력 케이블간에 단락 발생한 상의 구분이 가능하여 수리 교환에 신뢰성 및 편리성이 제공될 수 있다.

또한, 인버터에서 출력되는 전류를 검출하는 전류센서의 고장 및 제어의 불안정성에서 발생되는 단순 과전류 판단이 가능하여 적절한 대처 운전 및 수리를 가능하게 할 수 있다.

도 1은 인버터의 제1스위칭에서 U상 및 V상간 전력 케이블이 단락된 경우 전류 도통경로를 도시한 도면이다.
도 2는 인버터의 제2스위칭에서 U상 및 V상간 전력 케이블이 단락된 경우 전류 도통경로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 전력 케이블 단락 검출동작을 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 인버터의 제1스위칭에서 U상과 V상간 전력 케이블이 단락된 경우 전류 도통경로를 도시한 도면이다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제어기(100)가 인버터(200)를 구성하는 전력소자의 U상 상측아암(Q1)과 V상 상측아암(Q3)을 스위칭 온시키는 제1스위칭 동작이 실행되었을 경우 모터(400)에 상별 전류를 공급하는 각 전력 케이블에서 U상과 V상간에 단락이 발생하면 다음과 같은 전류 도통경로가 형성된다.

U상 상측아암(Q1) → 전력 케이블의 단락부(A) → V상 상측아암(Q3) → U상 상측아암(Q1)으로 연결되는 폐루프를 형성한다.

이때, U상과 V상에서 출력되는 상별 전류는 DC링크(Vdc)의 포지티브(Positive)단자와 동일한 전위를 가지므로 U상 상측아암(Q1)과 V상 상측아암(Q3)에 의해 상 변환된 전류는 모터(400)에 공급되지 못하는 상태가 된다.

따라서, 전류센서(300)에서 검출되는 U상 전류(iu)와 V상 전류(iv)는 매우 작은 전류로 검출된다.

도 2는 인버터의 제2스위칭에서 U상과 V상간 전력 케이블이 단락된 경우 전류 도통경로를 도시한 도면이다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제어기(100)가 인버터(200)를 구성하는 전력소자의 U상 상측아암(Q1)과 V상 하측아암(Q6)을 스위칭 온시키는 제1스위칭 동작이 실행되었을 경우 모터(400)에 상별 전류를 공급하는 전력 케이블에서 U상과 V상간에 단락이 발생하면 다음과 같은 전류 도통경로가 형성된다.

DC 링크(Vdc)의 포지티브 단자 → U상 상측아암(Q1) → 전력 케이블의 단락부(A) → V상 하측아암(Q6) → DC 링크(Vdc) 네가티브 단자로 연결되는 루프를 형성한다.

이때, U상은 DC링크(Vdc)의 포지티브 단자와 연결되고, V상은 DC링크(Vdc)의 네가티브 단자와 연결되므로, 전류센서(300)에서 검출되는 U상 전류(iu)와 V상 전류(iv)는 전력 케이블간의 단락에 따라 U상 상측아암(Q1)의 전력소자와 V상 하측아암(Q6)의 전력소자가 갖는 정력전류를 초과하는 전류가 도통된다.

상기한 도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 인버터에서 출력되는 상별 전류를 모터에 공급하는 각 전력 케이블간에 단락이 발생되는 경우 인버터에서 출력되는 상별 전류가 정상적으로 모터에 공급되지 못하므로, 전류센서를 통해 검출되는 전류는 매우 작은 전류로 검출되는 현상이 발생한다.

그리고, 전력 케이블간에 단락이 발생된 상에서는 전력소자가 갖는 정격전류를 초과하는 과전류가 도통된다.

또한, 전력 케이블의 인덕턴스로 결정되는 전류상승 기울기는 매우 크게 형성됨을 알 수 있다.

예를 들어, 입력전압이 180V이고 전력 케이블의 인덕턴스가 10uH라면 전류상승 기울기는 약 30A/usec가 된다.

그리고, 전력 케이블의 단락이 발생한 상에만 전류가 도통되고, 나머지 하나의 상에 흐르는 전류는 이상적으로 "0A"로 검출된다.

따라서, 본 발명은 전력 케이블간의 단락이 발생하는 경우 상기한 현상이 발생되는 것으로 적용하여 케이블 단락을 검출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 전력 케이블 단락 검출방법을 도시한 흐름도이다.

운전요구에 따라 제어기(100)는 PWM 신호로 전류지령을 출력하면, 인버터(200)를 구성하는 전력소자는 전류지령에 따라 스위칭을 실행하여 DC링크(Vdc)에서 입력되는 DC전압을 교류전압으로 상(U,V,W상) 변환시켜 각각의 전력 케이블을 통해 상별 전류를 모터(300)에 공급한다(S101).

이때, 제어기(100)는 설정된 일정주기, 예를 들어 10usec 간격으로 모터(400)의 전단에 배치되는 전류센서(300)로부터 각각의 전력 케이블을 통해 모터(400)의 공급되는 상별 전류를 모니터링한다(S102).

이후, 제어기(100)는 모니터링 되는 상별 전류와 설정된 기준전류를 비교하여 모터(400)에 공급되는 상별 전류가 설정된 기준전류를 초과하는 과전류가 검출되었는지를 판단한다(S103).

상기 S103에서 제어기(100)는 모터(400)에 공급되는 상별 전류가 설정된 기준전류를 초과하지 않은 상태이면 인버터(200)와 모터(400)의 각 상을 연결하는 전력 케이블간에는 단락이 발생되지 않은 정상상태로 판정한다(S104).

그러나, 상기 S103의 판단에서 제어기(100)는 모터(400)에 공급되는 상별 전류에 설정된 기준전류를 초과하면 과전류의 발생으로 판정하고, 과전류 발생이 전력 케이블의 단락에 의한 원인에 기인할 수 있다는 전력 케이블 단락 플래그를 설정한다(S105).

이후, 제어기(100)는 인버터(200)를 제어하는 PWM 전류지령의 출력을 중지하여 상변환 제어동작을 중지시킴으로써, 전력소자가 파손되는 것을 방지하고, 과전류가 검출된 시점(N 스텝) 및 직전 시점(N-1 스텝)에서의 각 상별 전류값을 저장한다(S106).

상기와 같이 제어기(100)는 상별 전류의 모니터링에서 과전류가 검출되면 전류센서(300)의 고장여부를 판정하기 위하여 설정된 일정주기, 예를 들어 125usec 간격으로 전류센서(300)의 각 상별 출력을 모니터링한다(S107).

그리고, 제어기(100)는 모니터링 된 전류센서(300)의 각 상별 출력과 전류센서(300)의 단락이나 단선 고장을 판정하기 위해 설정된 고장판정 전류를 비교하여 전류센서(300)가 정상인지를 판단한다(S108).

즉, 모니터링 되는 상별 전류센서(300)의 출력이 단락이나 단선 고장을 판정하기 위해 설정된 고장 판정 전류를 초과하는지의 여부를 판정하여 정상 여부를 판정한다.

상기 S108의 판단에서 제어기(100)는 모니터링 되는 전류센서(300)의 각 상별 출력에서 고장 판정전류를 초과하는 임의의 상이 검출되고, 설정된 일정시간 이상 유지되면 제어기(100)는 해당 출력을 갖는 전류센서(300)는 단락 혹은 단선 고장이 발생된 것으로 판정하여 인버터(200)를 구성하는 전력소자의 스위칭 동작을 종료하고, 메인 릴레이를 차단하여 배터리의 출력을 차단한다(S109).

그리고, 설정된 소정의 형식으로 경고 메시지를 출력하여 운전자로 하여금 신속한 수리 교환이 이루어질 수 있도록 한다(S110).

즉, 제어기(100)는 과전류의 검출이 전류센서(300)의 고장에 의해 검출되는 것으로 판정하고, 해당 전류센서의 고장을 통지하는 경고 메시지를 출력하여 신속한 수리 교환이 이루어질 수 있도록 한다.

그러나, 상기 S108에서 제어기(100)는 각 전류센서(300)의 정상이 판정되면 단위 시간당 전류의 변화로부터 각 상별 전류 기울기를 추출하여(S111) 전력 케이블의 단락 판정을 위해 설정한 기준 기울기와 비교하여 상별 전류의 기울기가 설정된 기준 기울기를 초과하였는지 판단한다(S112).

상기 S112에서 각 상별 전류 기울기가 설정된 단락 판정 기울기를 초과하면 제어기(100)는 해당 상의 전류를 모터(400)에 공급하는 전력 케이블의 단락으로 판단한 다음(S113) 메인 릴레이를 차단하여 배터리의 전압이 출력되는 것을 차단하며(S114) 설정된 소정의 방식으로 전력 케이블의 단락을 통지하는 경고 메시지를 출력한다(S115).

그러나, 상기 S112에서 상별 전류 기울기가 설정된 단락 판정 기울기를 초과하지 않으면 과전류의 검출이 설정횟수, 예를 들어 2회를 초과하였는지 판단한다(S116).

상기 S116에서 과전류 검출이 설정횟수를 초과하지 않았으면 일정시간 지연한 다음(S117) 검출정보를 초기화하며(S118), 인버터(200)에 PWM 전류지령을 개시하고 상기 S102의 과정으로 리턴한다(S119).

그러나, 상기 S116에서 과전류 검출이 설정횟수를 초과하였으면 인버터(200)의 제어불량에 의한 과전류 발생으로 판정하고(S120), 인버터(200)의 PWM 전류지령의 출력을 종료하며, 메인 릴레이를 차단시켜 배터리의 출력을 차단시킨다(S121).

그리고, 설정된 소정의 방식으로 인버터(200)의 제어불량에 의한 과전류 발생을 통지하는 경고 메시지를 출력한다(S122).

따라서, 출력되는 경고 메시지에 따라 과전류의 발생이 전력 케이블의 단락 혹은 인버터의 제어 불량에 의한 것인지를 판단하여 신속하고 신뢰성 있는 수리 교환이 이루어질 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (4)

1. (a) 인버터에서 모터에 공급되는 상별 전류를 설정된 간격으로 전류센서를 통해 모니터링 하여 과전류 발생을 검출하는 과정;
   (b) 상별 전류 모니터링에서 과전류 발생이 검출되면 전력 케이블 단락 플래그를 설정하고, 인버터의 제어를 종료하는 과정;
   (c) 과전류 발생이 검출되어 전력 케이블의 단락 플래그가 설정되면 전류센서의 상태를 모니터링 하여 전류센서의 고장여부를 판정하는 과정;
   (d) 전류센서가 정상으로 판정되면 상별 전류의 상승 기울기를 검출하여 설정된 기준 기울기와 비교하는 과정;
   (e) 전류의 상승 기울기가 설정된 기준 기울기를 초과하면 해당 상을 전달하는 전력 케이블을 단락으로 판정하여 인버터의 제어 종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정;
   (f) 전류의 상승 기울기가 설정된 기준 기울기를 초과하지 않으나 과전류 검출이 설정횟수 이상 반복되면 해당 상에 대하여 인버터 전력소자의 불량으로 판정하고, 인버터의 제어종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정;
   을 포함하는 모터의 전력 케이블 단락 검출방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (a) 과정의 상별 전류 모니터링에서 과전류 발생이 검출되지 않으면 상별 전류를 공급하는 전력 케이블을 정상으로 판정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 전력 케이블 단락 검출방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 과정에서 전류센서의 고장이 판정되면 과전류의 검출은 전류센서의 고장에 기인한 것으로 판정하고 인버터의 제어종료와 메인 릴레이 차단 및 경고 메시지를 출력하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 전력 케이블 단락 검출방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 과정에서 전류센서의 고장 판정은 상별 전류와 고장 판정을 위해 설정된 기준전류와 비교하여 실행하며, 전류센서의 고장이 판정되면 전력 케이블의 단락 판정을 실행하지 않는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 전력 케이블 단락 검출방법.

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