KR101567256B1 - 인버터의 정션온도 예측 장치 및 방법 - Google Patents

인버터의 정션온도 예측 장치 및 방법 Download PDF

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이제환
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 인버터의 정션온도 예측 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는, 차량의 주행 상태에 따라 인버터 운전모드를 결정하는 모드 결정부, 상기 결정된 인버터 운전모드에 대응하여 파워모듈을 구성하는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 모듈 및 다이오드(Diode) 각각의 전력 손실을 산출하는 손실 계산부, 냉각수 유량에 따라 상기 파워모듈의 열저항 성분을 보상하고, 상기 보상된 열저항 성분과 상기 산출된 각 전력 손실을 이용하여 상기 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 냉각수 온도 보상값을 산출하는 임피던스 보상부, 모터의 주파수에 따라 발생하는 온도리플을 보상하는 모터 주파수 보상부, 및 상기 보상된 냉각수 온도 보상값 및 상기 인버터 내에 배치된 온도센서로부터 획득한 냉각수 온도를 조합하여 상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 정션온도 예측부를 포함한다.

Description

인버터의 정션온도 예측 장치 및 방법{Apparatus and method for predicting junction temperature for inverter}
본 발명은 인버터의 정션온도 예측 장치 및 방법에 관한 것으로, 인버터의 운전모드에 따른 정션온도를 예측하는 기술에 관한 것이다.
친환경차의 핵심 기술은 전기를 이용해서 차량을 운행하는데 있으며, 효율성 및 안전성의 증대를 목표로 하고 있다.
친환경차에서 인버터는 배터리의 DC를 AC로 변환해서 전기모터를 구동하는 핵심 부품이다. 인버터에서 파워모듈은 DC-AC 전력 변환을 해주는 역할을 하는데, 이러한 파워모듈이 소손되었을 경우 자동차는 움직일 수 없게 된다. 따라서, 친환경차에서는 파워모듈을 보호하는 것이 중요하다.
파워모듈은 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)와 다이오드(DIODE)로 구성된다. 이때, IGBT 및 다이오드에 전류가 흐르고, 스위칭 동작을 하게 되면 열이 발생하여 소자의 온도가 상승하게 된다. 이때, 온도 상승으로 인해 IGBT 및 다이오드의 소손이 발생할 수 있다.
따라서, 파워모듈의 보호를 위해는 정확한 온도 예측이 필요하다.
본 발명의 목적은, 인버터에서 파워모듈 동작시 과도한 온도 상승으로부터 파워모듈을 보호하기 위해 사전에 정션온도를 예측하는 인버터의 정션온도 예측 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 차량의 주행 상태에 따라 인버터 운전모드를 구분하여 각 인버터 운전모드 별로 전력 손실을 산출함으로써 정밀한 정션온도 예측이 가능하도록 하는 인버터의 정션온도 예측 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인버터의 정션온도 예측 장치는, 차량의 주행 상태에 따라 모터링 모드, 회생 모드 및 힐 홀드 모드 중 어느 하나의 인버터 운전모드를 결정하는 모드 결정부, 상기 결정된 인버터 운전모드에 대응하여 파워모듈을 구성하는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 모듈 및 다이오드(Diode) 각각의 전력 손실을 산출하는 손실 계산부, 냉각수 유량(LPM)에 따라 정의된 열저항 보상비율을 적용하여 상기 파워모듈의 열저항 성분을 보상하고, 상기 보상된 열저항 성분과 상기 산출된 각 전력 손실을 이용하여 상기 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 냉각수 온도 보상값을 산출하는 임피던스 보상부, 상기 산출된 냉각수 온도 보상값에 대하여 모터의 주파수에 따라 발생하는 온도 리플을 보상하는 모터 주파수 보상부, 및 상기 보상된 냉각수 온도 보상값 및 상기 인버터 내에 배치된 온도센서로부터 획득한 냉각수 온도를 조합하여 상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 정션온도 예측부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모드 결정부는, 차량이 가속 또는 정속으로 주행 시 상기 인버터 운전모드를 모터링 모드로 결정하고, 차량이 감속 또는 내리막 길 주행 시 상기 인버터 운전모드를 회생 모드로 결정하며, 차량이 언덕에서 정지 또는 출발 시에는 상기 인버터 운전모드를 힐 홀드 모드로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 손실 계산부는, 상기 힐 홀드 모드 시, 전류값, 컬렉터-에미터간 전압의 기준시작값, 컬렉터 전류와 컬렉터-에미터간 전압의 기울기, 턴 온 손실, 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값 및 스위칭 주파수를 이용하여 IGBT 모듈의 전력손실을 산출할 수 있다. 또한, 손실 계산부는, 상기 힐 홀드 모드 시, 전류값, 출력 전압값, 전류와 전압의 기울기, 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값 및 스위칭 주파수를 이용하여 다이오드의 전력손실을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 손실 계산부는, 상기 모터링 모드 또는 회생 모드 시, 전류값, 컬렉터-에미터간 전압의 기준시작값, 컬렉터 전류와 컬렉터-에미터간 전압의 기울기, 턴 온 손실, 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, DC 링크 전압값, 스위칭 주파수, PWM 변조 지수 및 역률을 이용하여 IGBT 모듈의 전력손실을 산출할 수 있다. 또한, 손실 계산부는 상기 모터링 모드 또는 회생 모드 시, 전류값, 출력 전압값, 전류와 전압의 기울기, 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, 스위칭 주파수, DC 링크 전압값, PWM 변조 지수 및 역률을 이용하여 다이오드의 전력손실을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 모터링 모드는 상기 역률이 (+) 성분이고, 상기 회생 모드는 상기 역률이 (-) 성분인 것을 특징으로 한다.
상기 임피던스 보상부는, 상기 파워모듈 및 인버터의 냉각 특성에 따라서 RC 모델을 결정하고, 상기 결정된 RC 모델의 열저항 성분을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 모터 주파수 보상부는, 기준치 이상의 모터 주파수에 대해 미리 정해진 보상값을 적용하여 상기 산출된 냉각수 온도 보상값의 온도리플을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 정션온도 예측부는, 상기 냉각수 온도 및 상기 냉각수 온도 보상값을 더하여 상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 정션온도 예측 장치는, 상기 인버터의 DC 링크 전압, 스위칭 주파수, 모터속도, 모터전류 및 지령토크 중 적어도 하나의 인버터 정보를 수집하는 정보 수집부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 방법은, 차량의 주행 상태에 따라 모터링 모드, 회생 모드 및 힐 홀드 모드 중 어느 하나의 인버터 운전모드를 결정하는 단계, 상기 결정된 인버터 운전모드에 대응하여 파워모듈을 구성하는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 모듈 및 다이오드(Diode) 각각의 전력 손실을 산출하는 단계, 냉각수 유량(LPM)에 따라 정의된 열저항 보상비율을 적용하여 상기 파워모듈의 열저항 성분을 보상하고, 상기 보상된 열저항 성분과 상기 산출된 각 전력 손실을 이용하여 상기 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 냉각수 온도 보상값을 산출하는 단계, 상기 산출된 냉각수 온도 보상값에 대하여 모터의 주파수에 따라 발생하는 온도리플을 보상하는 단계, 및 상기 보상된 냉각수 온도 보상값 및 상기 인버터 내에 배치된 온도센서로부터 획득한 냉각수 온도를 조합하여 상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리전압, 스위칭주파수, 모터전류, 토크 반영 및 차량운전 조건(모터링, 회생, 힐 홀드)에 적합한 손실계산 방법을 적용하여 손실계산의 정확성을 향상시킬 수 있으며, 냉각수량 제어량에 따라 가변하는 파워모듈의 열저항을 반영하여 반도체 칩의 정션온도를 예측하는 것이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 차량운전조건을 고려한 파워모듈 손실계산과, 써멀 임피던스를 반영함으로써 파워모듈 내의 반도체 칩 온도를 정확하게 추정할 수 있으며, 그로 인해 파워모듈을 소손되지 않도록 사전에 보호할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치가 적용되는 인버터 구성을 도시한 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 장치의 모드 결정 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 장치의 손실 계산 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 순서도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치가 적용되는 인버터 구성을 도시한 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 인버터(10)는 커패시터, 파워모듈(20), 전류센서, 온도센서(30) 및 메인 제어기(40)를 포함할 수 있다. 이때, 커패시터는 입력전압의 평활 및 에너지를 저장하는 역할을 한다. 파워모듈(20)은 DC 성분을 AC 성분으로 전환하는 역할을 하며, 전류센서는 파워모듈(20)로부터 출력된 전류를 검출한다.
여기서, 파워모듈(20)은 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 모듈, 다이오드(Diode), 절연기판, 히트싱크 등으로 구성되는데, 이때 IGBT 모듈 및 다이오드(Diode)는 전력을 변환하는 반도체 칩이다.
파워모듈(20)을 구성하는 각 요소들은 열저항 성분을 가지고 있으며, 열저항 성분은 냉각 성능, 예를 들어, 냉각수의 속도, 냉각기의 압력손실 등에 따라 달라질 수 있다.
온도센서(30)는 인버터(10) 내의 냉각수 온도를 검출하며, 온도센서(30)에 의해 검출된 온도 정보는 메인 제어기(40)로 입력되어 연산에 이용된다. 여기서, 온도센서(30)에 의해 측정된 온도는 파워모듈(20)의 반도체 칩의 정션온도에 영향을 주기 때문에 파워모듈(20)을 보호하는데 중요한 요소로 작용한다.
본 발명에 따른 예측 장치는 인버터(10)의 정보, 예를 들어, 인버터(10)의 DC 링크 전압, 스위칭 주파수, 모터속도, 모터전류 및 지령토크 등과, 온도센서(30)에 의해 측정된 냉각수 온도를 근거로 정션온도를 예측한다. 이에, 예측 장치의 세부 구성은 도 2의 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 장치(이하에서는 '예측 장치'라 칭하도록 한다.)(100)는, 정보 수집부(110), 모드 결정부(120), 손실 계산부(130), 임피던스 보상부(140), 모터 주파수 보상부(150) 및 정션온도 예측부(160)를 포함할 수 있다.
정보 수집부(110)는 인버터, 즉, 파워모듈의 정션온도를 예측하기 위해 이용되는 정보들, 예를 들어, 인버터로부터 출력되는 DC 링크 전압, 스위칭 주파수, 모터속도, 모터전류 및 지령토크 중 적어도 하나의 정보를 수집한다. 정보 수집부(110)는 인버터의 각 요소들로부터 정보를 수집할 수 있으며, 메인 제어기로부터 수집된 정보를 획득할 수도 있다. 정보 수집부(110)에 의해 수집된 정보는 모드 결정부(120)로 전달된다.
모드 결정부(120)는 차량의 주행 상태에 따라 인버터 운전모드를 결정한다. 인버터 운전모드마다 차량의 주행 상태가 달라지기 때문에, 각 인버터 운전모드마다 전력 손실이 달라질 수 있다. 따라서, 차량의 상태에 따라 정확한 전력 손실을 계산하기 위해 인버터 운전모드는 차량의 주행 상태에 따라 구분하도록 한다. 이에, 인버터 운전모드를 결정하는 동작에 대한 구체적인 설명은 도 3의 실시예를 참조하도록 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 인버터 운전모드는 모터링 모드, 회생 모드 및 힐 홀드 모드로 구분할 수 있다. 이때, 모드 결정부(120)는 차량의 속도나 오르막 또는 내리막 주행에 따라 인버터 운전모드를 결정할 수 있다.
일 예로서, 도 3의 (A) 및 (G)와 같이 차량이 정지 상태에 있는 경우, 인버터도 정지상태가 된다. 한편, 도 3의 (B)와 같이 차량이 저속 주행을 하는 경우, (C)와 같이 가속 주행을 가는 경우, 그리고 (E)와 같이 정속 주행을 하는 경우에, 모드 결정부(120)는 인버터 운전모드를 모터링 모드로 결정한다. 또한, 도 3의 (F)와 같이 차량이 감속 또는 내리막 길 주행하는 경우, 모드 결정부(120)는 인버터 운전모드를 회생 모드로 결정한다. 또한, 도 3의 (D)와 같이 차량이 오르막길 주행하는 경우, 모드 결정부(120)는 인버터 운전모드를 힐 홀드 모드로 결정한다.
모드 결정부(120)는 결정된 인버터 운전모드 정보를 손실 계산부(130)로 제공하도록 한다. 이때, 모드 결정부(120)에 의해 결정된 인버터 운전모드별로 차량 상태가 달라지기 때문에, 파워모듈의 IGBT 모듈 및 다이오드(Diode)의 상승 온도 또한 각 모드별로 달라질 수 있다.
따라서, 손실 계산부(130)는 각 인버터 운전모드 마다 손실 수식을 다르게 적용할 수 있다. 이 경우, 각 인버터 운전모드별 차량 상태에 따라 정확한 정션 온도를 예측할 수 있게 된다.
일 예로서, 힐 홀드 모드 시, IGBT 모듈 및 다이오드(Diode)의 전력 손실을 계산하는데 적용되는 식은 아래와 같다.
Figure 112014107200414-pat00001
Figure 112014107200414-pat00002
여기서, PIGBT는 힐 홀드 모드 시 IGBT 모듈의 전력 손실, PDIODE는 힐 홀드 모드 시 다이오드의 전력 손실, I는 상전류의 피크값, VCE0는 IGBT 모듈의 VCE(sat)전압의 기준시작값, V0는 다이오드의 VF 기준시작값, r은 Ic전류와 VCE(sat)의 기울기, rt는 다이오드 IF 전류와 VF의 기울기, Eon은 IGBT 모듈의 턴온 손실, Eoff는 IGBT 모듈의 턴오프 손실, Inom은 기준전류, Vnom은 기준전압, Vbat는 차량배터리전압(인버터 입력전압), fSW는 스위칭 주파수를 의미한다.
이때, 손실 계산부(130)는 파워모듈의 IGBT 모듈 및 다이오드(Diode)의 특성 파라미터와 정보 수집부(110)에 의해 수집된 정보를 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 적용하여 힐 홀드 모드 시의 IGBT 모듈 및 다이오드에 대한 전력 손실을 계산할 수 있다. 이때 계산된 전력 손실은 [W] 단위로 나타낼 수 있다.
한편, 모터링 모드 또는 회생 모드 시, IGBT 모듈 및 다이오드(Diode)의 전력 손실을 계산하는 데는 동일한 수식이 적용된다. 이때, 적용되는 식은 아래와 같다.
먼저, 모터링 모드 또는 회생 모드 시 IGBT 모듈의 전력 손실은 아래 [수학식 3]에서와 같이, Pcond . IGBT 및 PSW , IGBT의 합으로 산출할 수 있다. 여기서, Pcond . IGBT 및 PSW , IGBT는 [수학식 4] 및 [수학식 5]를 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112014107200414-pat00003
Figure 112014107200414-pat00004
Figure 112014107200414-pat00005
여기서, Pcond.IGBT는 IGBT의 도통손실, PSW,IGBT는 IGBT의 스위칭손실, PIGBT는 모터링 모드 또는 회생 모드시 IGBT 모듈의 전력 손실, VCE0는 IGBT 모듈의 VCE(sat)전압의 기준 시작 값, I는 상전류의 피크값, m은 출력제어를 위한 PWM 변조지수, cosφ는 역률(전압, 전류의 위상 차), r은 Ic전류와 VCE(sat)의 기울기, fSW는 스위칭 주파수, Eon은 IGBT 모듈의 턴온 손실, Eoff는 IGBT 모듈의 턴 오프 손실, Inom은 기준전류, Vnom은 기준전압, Vdc는 DC 링크 전압을 의미한다. 이때, 역률은 모터링 모드 시 양수, 예를 들어, 1, 회생 모드 시 음수, 예를 들어, -1로 정의될 수 있다.
손실 계산부(130)는 파워모듈의 IGBT 모듈의 특성 파라미터와 정보 수집부(110)에 의해 수집된 정보를 [수학식 4] 및 [수학식 5]에 적용하여 모터링 모드 또는 회생 모드 시의 IGBT 모듈에 대한 전력 손실을 계산할 수 있다. 이때 계산된 전력 손실은 [W] 단위로 나타낼 수 있다.
또한, 모터링 모드 또는 회생 모드 시 다이오드의 전력 손실은 아래 [수학식 6]에서와 같이, Pcond . DIODE 및 PSW , DIODE의 합으로 산출할 수 있다. 여기서, Pcond . DIODE 및 PSW,DIODE는 [수학식 7] 및 [수학식 8]을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112014107200414-pat00006
Figure 112014107200414-pat00007
Figure 112014107200414-pat00008
여기서, Pcond.DIODE는 다이오드의 도통손실, PSW,DIODE는 다이오드의 스위칭 손실, PDIODE는 모터링 모드 또는 회생 모드시 다이오드의 전력 손실, VT0는 다이오드의 VF 기준 시작 값, I는 상전류의 피크값, rt는 다이오드 IF 전류와 VF의 기울기, m은 출력제어를 위한 PWM 변조지수, cosφ는 역fSW는 스위칭 주파수, Ere0는 다이오드 오프손실, Inom은 기준전류, Vnom은 기준전압, Vdc는 DC 링크 전압을 의미한다. 이때, 역률은 모터링 모드 시 양수(예를 들어, 1), 회생 모드 시 음수(예를 들어, -1)로 정의될 수 있다.
손실 계산부(130)는 파워모듈의 다이오드(Diode)의 특성 파라미터와 정보 수집부(110)에 의해 수집된 정보를 [수학식 7] 및 [수학식 8]에 적용하여 모터링 모드 또는 회생 모드 시의 다이오드에 대한 전력 손실을 계산할 수 있다. 이때 계산된 전력 손실은 [W] 단위로 나타낼 수 있다.
일 예로서, 정션온도(Tj)가 125℃인 경우, 각 파라미터들은 아래 [표 1]과 같은 값을 가질 수 있다.
Figure 112014107200414-pat00009
손실 계산부(130)는 인버터 운전모드에 따라 힐 홀드 모드, 모터링 모드, 회생 모드에 대응하는 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 전력 손실을 계산하고, 계산된 전력 손실값을 임피던스 보상부(140)로 출력한다.
본 발명에 따른 예측 장치(100)는 차량 상태에 따른 냉각수 속도(liter per minute, LPM)에 맞게 써멀임피던스를 반영한다. 이때, 냉각수 온도가 낮으면, 냉각수 속도제어장치(electronic water pump, EWP)의 속도가 느려지고, 냉각수의 온도가 높으면 냉각수 속도제어장치가 빠른 속도로 동작하게 된다.
LPM과 열저항의 관계는 도 4의 그래프와 같이 나타낼 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, LPM은 'liter per minute'의 약자로 분 당 물의 흐름을 나타내는데, 유량이 빠르면 방열이 잘되서 열저항(K1)이 작아 지고, 유량이 느리면 열저항(K1)이 커져서 파워모듈의 온도상승이 크게 나타난다.
이때, LPM 정보는 EWP라는 펌프의 속도를 읽어서 확인할 수 있다. 따라서, 임피던스 보상부(140)는 차량 상태에 따른 써멀임피던스를 반영하여 임피던스를 보상함으로써 더 정밀한 파워모듈의 정션온도를 예측할 수 있다.
일 예로서, 임피던스 보상부(140)는 파워모듈 및 인버터의 냉각 특성에 따라서 RC 모델을 결정한다. RC 모델에서 R 성분은 전력 손실과 곱해져 온도로 표현될 수 있다. 예를 들어, 열저항이 0.2[℃/W]이고 전력 손실이 200[W]이면, 온도는 0.2[℃/W] × 200[W] = 40[℃]로 표현할 수 있다. 한편, RC 모델에서 C 성분은 온도가 올라가는 기울기를 나타낸다.
이에, 임피던스 보상부(140)는 결정된 RC 모델의 열저항 성분을 보상할 수 있다. 이때, 임피던스 보상부(140)는 냉각수 유량(LPM)에 따라 정의된 열저항 보상비율을 적용하여 RC 모델의 열저항 성분을 보상할 수 있다. 여기서, 열저항 보상비율은 LPM에 따라 달라지는데, LPM 및 열저항 보상비율의 관계는 아래 [표 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014107200414-pat00010
또한, 임피던스 보상부(140)는 보상된 열저항 성분과, 손실 계산부(130)로부터 인버터 운전모드에 따라 계산된 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 전력 손실 정보를 이용하여 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 냉각수 온도 보상값을 산출할 수 있다.
냉각수 온도 보상값은 아래 [수학식 9]를 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112014107200414-pat00011
여기서, ΔTj 는 냉각수 온도 보상값, Ploss는 전력 손실, Rthj는 열저항, Rth.rate는 열저항 보상비율을 나타낸다.
따라서, 임피던스 보상부(140)는 손실 계산부(130)에 의해 계산된 전력 손실 정보와, 앞서 임피던스 보상부(140)에 의해 산출된 열저항 및 열저항 보상비율을 [수학식 9]에 적용하여 냉각수 온도 보상값을 산출할 수 있다. 임피던스 보상부(140)에 의해 산출된 냉각수 온도 보상값은 모터 주파수 보상을 위해 모터 주파수 보상부(150)로 출력된다.
모터 주파수 보상부(150)는 임피던스 보상부(140)에 의해 산출된 냉각수 온도 보상값에 대하여 모터의 주파수에 따라 발생하는 온도리플을 보상한다.
인버터에서 모터 제어를 위해 출력 신호를 PWM 신호로 변환하는데, 이때 모터 주파수에 따라 신호에 온도 리플이 발생한다. 일 예로서, 모터의 주파수가 작으면 그만큼 전력 손실이 크게 나타나고, 특정 주파수, 예를 들어 10Hz 이상이 되면 열평형 상태가 된다. 따라서, 10Hz 이상인 경우에는 모터 주파수에 상관없이 일정한 온도가 된다. 하지만, 모터 주파수가 10Hz 이상인 영역에서의 실제 온도는 10~20% 정도 높게 나오기 때문에, 모터 주파수 보상부(150)는 기준치 이상의 모터 주파수에 대해 미리 정해진 보상값을 적용하여 냉각수 온도 보상값의 온도 리플을 보상하도록 한다.
이에, 모터 주파수 보상부(150)는 온도 리플이 보상된 냉각수 온도 보상값을 정션온도 예측부(160)로 출력한다.
따라서, 정션온도 예측부(160)는 모터 주파수 보상부(150)로부터 입력된 냉각수 온도 보상값과 인버터의 온도센서(30)로부터 획득한 냉각수 온도를 조합하여 파워모듈의 정션온도를 예측하도록 한다. 여기서, 정션온도 예측부(160)는 아래와 같이 냉각수 온도에 냉각수 온도 보상값을 더하여 산출할 수 있다.
Figure 112014107200414-pat00012
정션온도 예측부(160)에 의해 예측된 파워모듈의 정션온도는 인버터 제어, 모터 제어 및 차량 제어 등에 다양하게 적용될 수 있다.
한편, 도 2에는 도시하지 않았으나, 본 발명에 따른 예측 장치(100)는 예측 장치(100)의 동작 상태 및 동작 수행 결과 등이 표시되는 디스플레이(미도시)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 디스플레이는 터치 동작을 감지하는 센서가 구비되는 경우, 출력 장치 이외에도 입력 장치로도 사용될 수 있다. 즉, 터치 필름, 터치 시트, 터치 패드 등의 터치 센서가 디스플레이에 구비되는 경우, 디스플레이는 터치 스크린으로 동작하며, 입력부와 출력부가 통합된 형태로 구현될 수 있다.
이때, 디스플레이는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(Flexible Display), 전계 방출 디스플레이(Feld Emission Display, FED), 3차원 디스플레이(3D Display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 예측 장치(100)는 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 통신부는 CAN(Controller Area Network) 통신, LIN(Local Interconnect Network) 통신, 플렉스레이(Flex-Ray) 통신 등의 차량 네트워크 통신을 지원하는 통신모듈을 포함할 수 있다. 또한, 통신부는 무선 인터넷 접속을 위한 모듈 또는 근거리 통신(Short Range Communication)을 위한 모듈을 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 예측 장치(100)는 플래시 메모리(Flash Memory)와 같은 저장매체를 포함하는 저장부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
본 실시예에 따른 예측 장치(100)는 적어도 하나 이상의 프로세서(processor)에 해당하거나, 적어도 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 따라, 인버터 정션온도 예측 장치(100)는 마이크로 프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 장치의 동작 흐름을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 인버터 정션온도 예측 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 순서도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 인버터 정션온도 예측 장치는 인버터 정보를 수집하고(S110), 수집된 인버터 정보 및 차량 상태에 근거하여 인버터 운전모드를 결정한다(S120). 이때, 인버터 정션온도 예측 장치는 힐 홀드 모드, 모터링 모드 및 회생 모드 중 어느 하나로 인버터 운전모드를 결정할 수 있다.
만일, 인버터 운전모드가 힐 홀드 모드로 결정된 경우(S130), 인버터 정션온도 예측 장치는 제1 방식을 이용하여 파워모듈의 전력 손실을 계산한다(S140). 여기서, 제1 방식은 상술한 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 파워모듈의 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 전력 손실을 산출할 수 있다.
한편, 'S130' 과정에서 인버터 운전모드가 힐 홀드 모드가 아닌, 모터링 모드 또는 회생 모드로 결정된 경우, 인버터 정션온도 예측 장치는 제2 방식을 이용하여 파워모듈의 전력 손실을 계산한다(S145). 여기서, 제2 방식은 상술한 [수학식 3] 내지 [수학식 5]를 이용하여 IGBT 모듈에 대한 전력 손실을 산출하고, [수학식 6] 내지 [수학식 8]을 이용하여 다이오드에 대한 전력 손실을 산출할 수 있다.
이와 같이, 인버터 운전모드가 모터링 모드 또는 회생 모드인 경우, 동일한 수식을 적용하여 파워모듈의 전력 손실을 산출하지만, 인버터 운전모드가 힐 홀드 모드인 경우에는 모터링 모드 또는 회생 모드와는 다른 수식을 적용하여 파워모듈의 전력 손실을 산출한다.
이후, 인버터 정션온도 예측 장치는 파워모듈 및 인버터의 냉각 성능에 따른 RC 모델을 적용하고(S150), RC 모델의 열저항 성분을 LPM에 따른 열저항 비율을 적용하여 보상한다(S160). 인버터 정션온도 예측 장치는 'S160' 과정에서 임피던스 보상된 열저항 성분 및 'S140' 또는 'S150' 과정에서 계산된 전력 손실을 이용하여 냉각수 온도 보상값을 산출할 수 있다. 이 경우, 인버터 정션온도 예측 장치는 산출된 냉각수 온도 보상값에 대하여 모터 주파수에 따른 온도 리플을 보상하도록 한다(S170).
따라서, 인버터 정션온도 예측 장치는 'S170' 과정에서 보상된 냉각수 온도 보상값을 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도에 적용하여 파워모듈의 정션온도를 예측하도록 한다(S180).
상기의 과정들은 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체, 즉, 메모리 및/또는 스토리지에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 정보 수집부 120: 모드 결정부
130: 손실 계산부 140: 임피던스 보상부
150: 모터 주파수 보상부 160: 정션온도 예측부

Claims (16)

  1. 차량의 주행 상태에 따라 모터링 모드, 회생 모드 및 힐 홀드 모드 중 어느 하나의 인버터 운전모드를 결정하는 모드 결정부;
    상기 결정된 인버터 운전모드에 대응하여 파워모듈을 구성하는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 모듈 및 다이오드(Diode) 각각의 전력 손실을 산출하는 손실 계산부;
    냉각수 유량에 따라 정의된 열저항 보상비율을 적용하여 상기 파워모듈의 열저항 성분을 보상하고, 상기 보상된 열저항 성분과 상기 산출된 각 전력 손실을 이용하여 상기 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 냉각수 온도 보상값을 산출하는 임피던스 보상부;
    상기 산출된 냉각수 온도 보상값에 대하여 모터의 주파수에 따라 발생하는 온도리플을 보상하는 모터 주파수 보상부; 및
    상기 보상된 냉각수 온도 보상값 및 상기 인버터 내에 배치된 온도센서로부터 획득한 냉각수 온도를 조합하여 상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 정션온도 예측부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모드 결정부는,
    차량이 가속 또는 정속으로 주행 시 상기 인버터 운전모드를 모터링 모드로 결정하고, 차량이 감속 또는 내리막 길 주행 시 상기 인버터 운전모드를 회생 모드로 결정하며, 차량이 언덕에서 정지 또는 출발 시에는 상기 인버터 운전모드를 힐 홀드 모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 손실 계산부는,
    상기 힐 홀드 모드 시, 상전류의 피크값, IGBT 모듈의 전압에 대한 기준시작값, 컬렉터 전류와 컬렉터-에미터간 전압의 기울기, IGBT 모듈의 턴 온 손실, IGBT 모듈의 턴 오프 손실, 기준전류값, 기준전압값, 인버터 입력전?값 및 스위칭 주파수를 이용하여 IGBT 모듈의 전력손실을 산출하고,
    상전류의 피크값, 다이오드의 전압에 대한 기준시작값, 다이오드의 전류와 전압에 대한 기울기, IGBT 모듈의 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, 인버터 입력전?값 및 스위칭 주파수를 이용하여 다이오드의 전력손실을 산출하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 손실 계산부는,
    상기 모터링 모드 또는 회생 모드 시, 상전류의 피크값, IGBT 모듈의 전압에 대한 기준시작값, 컬렉터 전류와 컬렉터-에미터간 전압의 기울기, IGBT 모듈의 턴 온 손실, IGBT 모듈의 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, DC 링크 전압값, 스위칭 주파수, PWM 변조 지수 및 역률을 이용하여 IGBT 모듈의 전력손실을 산출하고,
    상전류의 피크값, 다이오드의 전압에 대한 기준시작값, 다이오드의 전류와 전압에 대한 기울기, 다이오드의 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, 스위칭 주파수, DC 링크 전압값, PWM 변조 지수 및 역률을 이용하여 다이오드의 전력손실을 산출하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 모터링 모드는 상기 역률이 (+) 성분이고,
    상기 회생 모드는 상기 역률이 (-) 성분인 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 임피던스 보상부는,
    상기 파워모듈 및 인버터의 냉각 특성에 따라서 RC 모델을 결정하고, 상기 결정된 RC 모델의 열저항 성분을 보상하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 주파수 보상부는,
    기준치 이상의 모터 주파수에 대해 미리 정해진 보상값을 적용하여 상기 산출된 냉각수 온도 보상값의 온도리플을 보상하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 정션온도 예측부는,
    상기 냉각수 온도 및 상기 보상된 냉각수 온도 보상값을 더하여 상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터 정션온도 예측 장치는,
    상기 인버터의 DC 링크 전압, 스위칭 주파수, 모터속도, 모터전류 및 지령토크 중 적어도 하나의 인버터 정보를 수집하는 정보 수집부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 장치.
  10. 차량의 주행 상태에 따라 모터링 모드, 회생 모드 및 힐 홀드 모드 중 어느 하나의 인버터 운전모드를 결정하는 단계;
    상기 결정된 인버터 운전모드에 대응하여 파워모듈을 구성하는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 모듈 및 다이오드(Diode) 각각의 전력 손실을 산출하는 단계;
    냉각수 유량에 따라 정의된 열저항 보상비율을 적용하여 상기 파워모듈의 열저항 성분을 보상하고, 상기 보상된 열저항 성분과 상기 산출된 각 전력 손실을 이용하여 상기 IGBT 모듈 및 다이오드 각각에 대한 냉각수 온도 보상값을 산출하는 단계;
    상기 산출된 냉각수 온도 보상값에 대하여 모터의 주파수에 따라 발생하는 온도리플을 보상하는 단계; 및
    상기 보상된 냉각수 온도 보상값 및 상기 인버터 내에 배치된 온도센서로부터 획득한 냉각수 온도를 조합하여 상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 인버터 운전모드를 결정하는 단계는,
    차량이 가속 또는 정속으로 주행 시 상기 인버터 운전모드를 모터링 모드로 결정하고, 차량이 감속 또는 내리막 길 주행 시 상기 인버터 운전모드를 회생 모드로 결정하며, 차량이 언덕에서 정지 또는 출발 시에는 상기 인버터 운전모드를 힐 홀드 모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 전력 손실을 산출하는 단계는,
    상기 힐 홀드 모드 시, 상전류의 피크값, 컬렉터-에미터간 전압의 기준시작값, 컬렉터 전류와 컬렉터-에미터간 전압의 기울기, 턴 온 손실, 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값 및 스위칭 주파수를 이용하여 IGBT 모듈의 전력손실을 산출하는 단계; 및
    상전류의 피크값, 출력 전압값, 전류와 전압의 기울기, 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, 충전 전압값 및 스위칭 주파수를 이용하여 다이오드의 전력손실을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 전력 손실을 산출하는 단계는,
    상기 모터링 모드 또는 회생 모드 시, 상전류의 피크값, 컬렉터-에미터간 전압의 기준시작값, 컬렉터 전류와 컬렉터-에미터간 전압의 기울기, 턴 온 손실, 턴 오프 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, DC 링크 전압값, 스위칭 주파수, PWM 변조 지수 및 역률을 이용하여 IGBT 모듈의 전력손실을 산출하는 단계; 및
    상전류의 피크값, 출력 전압값, 전류와 전압의 기울기, 손실, 기준 전류값, 기준 전압값, 스위칭 주파수, DC 링크 전압값, PWM 변조 지수 및 역률을 이용하여 다이오드의 전력손실을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 모터링 모드는 상기 역률이 (+) 성분이고,
    상기 회생 모드는 상기 역률이 (-) 성분인 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉각수 온도 보상값을 산출하는 단계는,
    상기 파워모듈 및 인버터의 냉각 특성에 따라서 RC 모델을 결정하는 단계; 및
    상기 열저항 보상비율을 적용하여 상기 결정된 RC 모델의 열저항 성분을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 방법.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 파워모듈의 정션온도를 예측하는 단계는,
    상기 냉각수 온도에 상기 보상된 냉각수 온도 보상값을 더한 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 정션온도 예측 방법.
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