KR101124973B1 - 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 고장 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전압 컨버터 고장시 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압이 출력전압이 증대되는 직류변환장치를 통해 12V 전장부하로 방전되도록 한 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 차량 주행을 위한 제1모터 및 제2모터; 제1모터를 구동 제어하는 제1인버터 및 제2모터를 구동 제어하는 제2인버터와; 직류 전압을 출력하는 직류전원용 배터리와; 직류전원용 배터리로부터 직류 전압을 상기 제1 및 제2인버터로 승압 또는 감압시켜 공급하고, 상기 제1인버터 또는 제2인버터로부터의 직류 전압을 상기 직류전원용 배터리측으로 감압 또는 승압시켜 공급하는 전압 컨버터와; 상기 직류전원용 배터리와 전압 컨버터 사이에 연결된 제1 및 제2메인릴레이; 상기 전압 컨버터와 제1 및 제2인버터 사이에 DC링크 커패시터의 고전압 에너지를 방전시킬 수 있도록 연결되는 직류변환장치와; 상기 직류변환장치에 연결되는 12V 보조배터리를 전원으로 하는 전장부하; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 그 제어 방법을 제공한다.

하이브리드, 모터, 직류변환장치, DC링크 커패시터, 배터리, 고장, 제어

Description

하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 고장 제어 방법{MOTOR CONTROL SYSTEM FOR HYBRID VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 고장 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전압 컨버터 고장시 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압이 출력전압이 증대되는 직류변환장치를 통해 12V 전장부하로 방전되도록 한 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 고장 제어 방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 가솔린 엔진 뿐만 아니라 모터 구동원을 보조 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량을 말한다.

엔진이 비효율적인 주행환경일 때, 배터리 충방전에 의한 모터의 구동을 통해 시스템의 효율성을 높일 수 있고(load leveling), 또한 감속시에는 브레이크에서 마찰열로 방출되는 운동에너지를 모터의 발전으로 전기로 전환하는 회생제동을 통해 배터리 충전이 이루어져 연비를 향상시킬 수 있다.

이러한 하이브리드 차량은 동력 전달 계통상 모터의 연결 및 구동 여부에 따 라 소프타 타입(Soft type)과 하드 타입(Hard tpye)으로 나누어진다.

기존의 하드 타입 하이브리드 차량의 모터 구동을 위한 시스템 구성을 첨부한 도 6을 참조로 살펴보면, 차량 주행을 위한 제1모터(M1) 및 제2모터(M2)와; 제1모터(M1)를 구동 제어하는 제1인버터(1) 및 제2모터(M2)를 구동 제어하는 제2인버터(2)와; 직류 전압을 출력하는 직류전원용 배터리(B)와; 상기 직류전원용 배터리(B)로부터 직류 전압을 상기 제1 및 제2인버터(1,2)로 승압시켜 공급하고, 상기 제1인버터(1) 또는 제2인버터(2)로부터의 직류 전압을 상기 직류전원용 배터리(B)측으로 감압하여 공급하는 전압 컨버터(3)와; 상기 직류전원용 배터리(B)와 전압 컨버터(3) 사이에 연결된 제1 및 제2메인릴레이(SR1,SR2); 및 상기 제1 및 제2메인릴레이(SR1,SR2)와 전압 컨버터(3) 사이에 연결된 전기부하 또는 전원공급장치로 대표되는 직류변환장치(4); 등을 포함하여 구성되어 있다.

상기 직류변환장치(4)는 에너지의 흐름이 단방향 또는 양방향으로 이루어지는 전력변환장치를 통칭하고, 도 1에서 미설명부호 5,6,7은 각각 12V 보조배터리와, 12V 전장부하와, DC-링크 커패시터를 각각 나타낸다.

상기와 같은 종래의 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템은 다음과 같은 문제점이 있다.

전압 컨버터(3)의 고장시, 제1 및 제2인버터(1,2)와 전압 컨버터(3) 사이에 내장되어 있는 커패시터, 즉 DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 방전경로 부재로 인하여, 자연 방전되기 까지 수분 내지 수시간이 걸리게 되고, 이에 A/S 작업자, 또는 차량 사고시 운전자 및 구조자가 감전되어 2차 피해를 입을 수 있는 문 제점이 있다.

한편, DC-DC 컨버터 즉, 전기부하로 대표되는 직류변환장치(4)에 공급되는 전압은 직류전원용 배터리(B)를 전원으로 하는 직류전원이고, 일반적으로 직류전원을 사용하는 직류전원용 배터리(B) 전압은 SOC(배터리 충전 상태량) 및 충/방전 에너지량에 따라 변동하게 되는 바, 이에 직류변환장치(4)는 배터리 전압 변동량에 적합하도록 구성되어야 한다.

예를 들어, 상기 직류전원용 배터리(B) 전압이 200V에서 400V까지 변동할 때, 2kW 출력을 내기 위한 직류변환장치(4)의 입력전류는 배터리(B) 전압 400V에서는 약 5A이지만, 배터리 전압(B) 200V에서는 약 10A정도이어야 하므로, 직류변환장치는 배터리 최소전압에서 필요한 전류기준으로 설계되어 부품 사양이 상대적으로 커지는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위하여, 배터리 전압의 변동이 거의 없도록 용량이 매우 큰 배터리를 사용하던지, 또는 배터리 충전/방전 에너지량을 줄여서 SOC 변동을 최소화해야 하지만, 이 두 가지 방법은 각각 재료비 상승 및 연비 저항 등의 문제점을 초래한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 전압 컨버터와 제1 및 제2인버터 사이에 직류변환장치를 연결함으로써, 전압 컨버터의 고 장시, 제1 및 제2릴레이를 오프시키는 동시에 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압이 출력전압이 증대되는 직류변환장치를 통해 12V 전장부하로 방전되도록 한 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 및 이의 고장 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전압컨버터 및 직류변환장치가 모두 고장시, 제1 및 제2인버터의 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압 에너지를 방전시켜야 할 때, 제1 및 제2인버터의 스위칭 제어에 의한 모터의 저항성분을 통해 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압 에너지가 방전되도록 한 점에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템은: 차량 주행을 위한 제1모터 및 제2모터; 제1모터를 구동 제어하는 제1인버터 및 제2모터를 구동 제어하는 제2인버터와; 직류 전압을 출력하는 직류전원용 배터리와; 직류전원용 배터리로부터 직류 전압을 상기 제1 및 제2인버터로 승압 또는 감압시켜 공급하고, 상기 제1인버터 또는 제2인버터로부터의 직류 전압을 상기 직류전원용 배터리측으로 감압 또는 승압시켜 공급하는 전압 컨버터와; 상기 직류전원용 배터리와 전압 컨버터 사이에 연결된 제1 및 제2메인릴레이; 상기 전압 컨버터와 제1 및 제2인버터 사이에 DC링크 커패시터의 고전압 에너지를 방전시킬 수 있도록 연결되는 직류변환장치와; 상기 직류변환장치에 연결되는 12V 보조배터리를 전원으로 하는 전장부하; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 고장 제어 방법은: 전압컨버터 고장시, 제1 및 제2릴레이를 차단하는 단계와; 직류변환장치의 출력 전압을 증대시키는 단계와; 임의의 전장부하를 온시키는 단계와; DC링크 커패시터에 쌓인 고전압 에너지가 직류변환장치를 통하여 전장부하로 방전되는 단계; 가 진행되도록 하거나, 전압컨버터 및 직류변환장치의 고장시, 제1 및 제2릴레이를 차단하는 단계와; 제1 및 제2인버터에 대한 스위칭 제어가 이루어지는 단계와; DC링크 커패시터에 쌓인 고전압 에너지가 제1모터 및 제2모터에 방전되는 단계; 가 진행되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 전압 컨버터와 제1 및 제2인버터 사이에 직류변환장치를 연결하여, 전압 컨버터의 고장시 제1 및 제2릴레이를 오프시키는 동시에 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압이 출력전압이 증대되는 직류변환장치를 통해 12V 전장부하로 방전되도록 함으로써, 그리고 전압컨버터 및 직류변환장치가 모두 고장시, 제1 및 제2인버터의 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압 에너지를 방전시켜야 할 때, 제1 및 제2인버터의 스위칭 제어에 의한 모터의 저항성분을 통해 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압 에너지가 방전되도록 함으로써, 충돌사고시 운전자 및 구조자의 감전을 예방할 수 있고, 기존에 직류전원용 배터리인 고전압 배터리 용량을 대용량으로 적용하는 것을 배제하여 배터리 부품의 원가 절감을 도모할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템을 나타내는 구성도이다.

파워트레인계 부품으로서, 차량 주행을 위한 제1모터(M1) 및 제2모터(M2)에 각각 모터의 구동 제어를 위한 제1인버터(1) 및 제2인버터(2)가 연결되어 있고, 이들 인버터는 직류 전압을 출력하는 직류전원용 배터리(B)와 전압 컨버터(3)를 매개로 연결되어 있다.

상기 전압 컨버터(3)는 직류전원용 배터리(B)로부터 직류 전압을 상기 제1 및 제2인버터(1,2)로 승압 또는 감압시켜 공급하거나, 상기 제1인버터(1) 또는 제2인버터(2)로부터의 직류 전압을 직류전원용 배터리(B)측으로 감압 또는 승압시켜 공급하는 역할을 한다.

이때, 상기 직류전원용 배터리(B)와 전압 컨버터(3) 사이에는 배터리(B) 전원을 인가 또는 단속하기 위한 제1 및 제2메인릴레이(SR1,SR2)가 배열되어 있다.

특히, 본 발명의 모터 구동 시스템의 구성중 전압 컨버터(3)와 제1 및 제2인버터(1,2) 사이에는 전기부하로 대표되는 직류변환장치(4)가 연결된다.

또한, 본 발명의 모터 구동 시스템은 전압 컨버터(3)의 고장시, 고장 검출에 응답하여 상기 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 차단(OFF)하는 제어를 하고, DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 방전되도록 직류변환장치(4)를 제어하는 제어 기를 포함한다.

이때, 상기 직류변환장치(4)에는 12V 보조배터리(5)를 전원으로 하는 12V 전장부하(6, 뒷유리 열선, 워터펌프, 오일펌프, 라디에이터 냉각팬 등)가 제어기의 제어로 작동 가능하게 연결된다.

여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템 고장 제어 방법의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템 고장 제어 방법의 일 실시예를 설명하는 순서도이다.

본 발명은 전압 컨버터(3) 고장시, 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 오프시키는 동시에 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압이 출력전압이 증대되는 직류변환장치(4)를 통해 12V 전장부하로 방전되도록 한 점에 특징이 있다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, DC링크 커패시터(7)의 방전량 경계치를 L1이라 하고, 제어기가 제어할 수 있는 뒷유리 열선 등과 같은 임의의 12V 전장부하(6)를 전장부하라고 한다.

상기 직류변환장치(4)의 소모 전력이 L1 이하인 경우에는 12V 보조배터리(5)가 만충전 상태로서, 이때 추가적인 임의의 전장부하에 대한 온/오프 제어를 하여, 12V계 전장부하의 전력소모량을 증가시켜 직류변환장치의 소모 전력을 증가시킨다.

즉, 직류변환장치(4)의 부하량이 DC링크 커패시터(7)의 방전량 경계치인 L1보다 작고, 동시에 전장부하가 오프인 상태이면, 제어기에서 전장부하가 동작하도록 온으로 제어하는 동시에 직류변환장치(4)의 출력 전압을 증대시키는 제어를 함으로써, DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 직류변환장치(4)를 통하여 전장부하로 방전되도록 한다.

이때, 상기 임의의 전장부하는 소비자가 인지할 수 없거나, 인지하여도 불만을 느끼지 않는 전장부하로서, 예를 들어 소비자가 인지할 수 없는 워터펌프, 오일펌프, 라디에이터 냉각팬, 와이퍼 데이서(DEICER), 공기청정기, 고전압배터리 냉각팬을 들 수 있고, 소비자가 인지(희망)할 수 있는 전장부하는 실내 저온시 히터, 시트열선 등을 들 수 있으며, 기타 헤드램프, 오디오, 안개등, 미등 등을 들 수 있다.

한편, 상기 전압 컨버터(3)를 승압형 컨버터로 채용하는 경우, 직류전원용 배터리(B) 전압에 비하여 DC링크 커패시터(7) 전압이 항상 같거나 크기 때문에 상기 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)가 온(ON)인 경우에는 배터리(B) 전압 이하로 DC링크 커패시터 전압을 제어할 수 없고, 상기 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)가 오프인 경우에는 에너지 저장장치인 배터리(B)가 전압컨버터(3)와 전기적으로 분리되어 DC링크 커패시터(7)의 에너지를 배터리(B)로 전달할 수 없는 상태가 된다.

이에, 상기 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2) 오프후, 전압컨버터(3)를 오프하는 동시에 직류변환장치(4)의 출력 전압을 증대시키는 스위칭 제어를 통하여, 12V 보조배터리(5)에 대한 충전을 하거나 필요한 임의의 전장부하(6)에 에너지를 공급하여, DC링크 커패시터의 고전압 에너지를 방전하여 소모하지 않고도 DC링크 커패시터의 전압을 일정 전압 이하로 제어할 수 있다.

따라서, 상기 직류변환장치(4)의 소모 전력이 L1 이하인 경우에는 12V 보조배터리(5)가 만충전 상태로서, 이때 12V 보조배터리(5)의 만충전 또는 충돌사고 발생시 운전지 및 구조자 등의 감전을 막기 위하여 DC링크 커패시터의 전압을 아주 짧은 시간내에 낮추어 주어야 한다.

이에 따라, 상기 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2) 오프후, 직류변환장치(4)의 출력전압을 증대시킨 후, 대용량 12V전장부하(예들들어, 헤드램프, 뒷유리 열선 등)를 강제 구동(온)시켜, 12V전장부하의 전력소모량을 순간적으로 증가되는 동시에 직류변환장치의 소모 전력이 이루어져, 결국 DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 직류변환장치(4)를 통하여 전장부하로 방전되도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압 컨버터(3)의 고장시, 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 오프시키는 동시에 DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압이 출력전압이 증대되는 직류변환장치(4)를 통해 전장부하로 방전되도록 함으로써, 충돌사고시 운전자 및 구조자의 감전을 예방할 수 있고, 기존에 직류전원용 배터리(B)인 고전압 배터리 용량을 대용량으로 적용하는 것을 배제하여 배터리 부품의 원가 절감을 도모할 수 있다.

첨부한 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템 고장 제어 방법의 다른 실시예를 설명하는 순서도이다.

본 발명의 다른 실시예는 상기 전압컨버터(3) 및 직류변환장치(4)가 모두 고장시, 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 차단하고, 상기 제1 및 제2인버터(1,2)의 DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지를 방전시켜야 할 때, 제1 및 제2인버터(2)의 스위칭 제어에 의한 모터의 저항성분을 통해 DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 방전되도록 한 점에 특징이 있다.

즉, 상기 전압컨버터(3) 및 직류변환장치(4)가 모두 고장시, 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 차단하고, 제1 및 제2인버터(1,2)의 스위칭 제어를 통해 DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지를 제1모터(M1) 및 제2모터(M2)에 방전하되, 제1모터(M1) 및 제2모터(M2)의 속도를 각각 방전제어를 위한 모터속도 제한치 이하로 제어하여, DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 모터의 저항성분을 통해 방전되도록 한다.

이때, 제1모터(M1) 및 제2모터(M2)의 속도를 방전제어를 위한 모터속도 제한치 이상으로 제어하면, 오히려 DC링크 커패시터(7)의 전압을 증가시킬 수 있으므로, 방전제어 모터속도 제한치 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전압 컨버터(3) 및 직류변환장치(4)의 고장시, 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 오프시키는 동시에 DC링크 커패시터에 쌓인 고전압이 모터를 저항성분으로 하여 방전되도록 함으로써, 마찬가지로 충돌사고시 운전자 및 구조자의 감전을 예방할 수 있고, 기존에 직류전원용 배터리(B)인 고전압 배터리 용량을 대용량으로 적용하는 것을 배제하여 배터리 부품의 원가 절감을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템을 나타내는 구성도,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템의 고장 제어 방법에 대한 일 실시예를 설명하는 순서도,

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템의 고장 제어 방법에 대한 다른 실시예를 설명하는 순서도,

도 6은 종래의 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템을 나타내는 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 제1인버터 2 : 제2인버터

3 : 전압 컨버터 4 : 직류변환장치

5 : 12V 배터리 6 : 전장부하

7 : DC링크 커패시터 M1 : 제1모터

M2 : 제2모터 B : 직류전원용 배터리

SR1 : 제1메인릴레이 SR2 : 제2메인릴레이

Claims (7)

1. 차량 주행을 위한 제1모터(M1) 및 제2모터(M2);

   제1모터(M1)를 구동 제어하는 제1인버터(1) 및 제2모터(M2)를 구동 제어하는 제2인버터(2)와;

   직류 전압을 출력하는 직류전원용 배터리(B)와;

   상기 직류전원용 배터리(B)로부터 직류 전압을 상기 제1 및 제2인버터(1,2)로 승압 또는 감압시켜 공급하고, 상기 제1인버터(1) 또는 제2인버터(2)로부터의 직류 전압을 상기 직류전원용 배터리(B)측으로 감압 또는 승압시켜 공급하는 전압 컨버터(3)와;

   상기 직류전원용 배터리(B)와 전압 컨버터(3) 사이에 연결된 제1 및 제2메인릴레이(SR1,SR2);

   상기 전압 컨버터(3)와 제1 및 제2인버터(1,2) 사이에 DC링크 커패시터(7)의 고전압 에너지를 방전시킬 수 있도록 연결되는 직류변환장치(4)와;

   상기 직류변환장치(4)에 연결되는 12V 보조배터리(5)를 전원으로 하는 전장부하(6);

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전압 컨버터(3)의 고장시, 고장 검출에 응답하여 상기 제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 차단(OFF)하는 제어를 하고, DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 방전되도록 직류변환장치(4)를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템.
3. 전압컨버터(3) 고장시,

   제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 차단하는 단계와;

   직류변환장치(4)의 출력 전압을 증대시키는 단계와;

   워터펌프, 오일펌프, 라디에이터 냉각팬, 와이퍼 데이서(DEICER), 공기청정기, 고전압배터리 냉각팬, 히터, 시트열선, 헤드램프, 오디오, 안개등, 미등 중 선택된 하나 이상의 전장부하를 온시키는 단계와;

   DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 직류변환장치(4)를 통하여 전장부하로 방전되는 단계;

   가 진행되도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 고장 제어 방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 직류변환장치(4)의 부하량이 DC링크 커패시터(7)의 방전량 경계치인 L1보다 작고, 동시에 전장부하가 오프인 상태이면, 제어기에서 전장부하가 동작하도록 온으로 제어하는 동시에 직류변환장치의 출력 전압을 증대시키는 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 고장 제어 방법.
5. 삭제
6. 전압컨버터(3) 및 직류변환장치(4)의 고장시,

   제1 및 제2릴레이(SR1,SR2)를 차단하는 단계와;

   제1 및 제2인버터(1,2)에 대한 스위칭 제어가 이루어지는 단계와;

   DC링크 커패시터(7)에 쌓인 고전압 에너지가 제1모터(M1) 및 제2모터(M2)에 방전되는 단계;

   가 진행되도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 고장 제어 방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 DC링크 커패시터(7)의 방전 에너지에 의하여 구동하는 제1모터(M1) 및 제2모터(M2)의 속도는 각각 방전제어를 위한 모터속도 제한치 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 모터 구동 시스템 고장 제어 방법.

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