KR102654842B1 - 차량의 배터리 시스템 및 그의 진단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 배터리 시스템 및 그의 진단 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리에서 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 및 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터를 연결하는 전원라인 상에 배치된 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 제어하며 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터로의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 장치를 포함하고, 상기 전원 제어 장치는 차량의 시동 온 또는 오프 시에 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터의 입출력 전압 또는 전류 상태에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단한다.

Description

차량의 배터리 시스템 및 그의 진단 방법{BATTERY SYSTEM OF VEHICLE AND DIAGNOSTIC METHOD THEREOF}
본 발명은 차량의 배터리 시스템 및 그의 진단 방법에 관한 것이다.
전기자동차나 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차에는 차량 구동원인 전기모터로 구동전력을 공급하기 위한 고전압 배터리가 탑재되며, 고전압 배터리의 보호를 위해 고전압 배터리로 인가되는 전류를 단속하기 위한 릴레이(메인 릴레이) 및 충전 시 충전기와 고전압 배터리 사이의 전류를 단속하기 위한 프리차지 릴레이가 배치될 수 있다.
이러한 회로 구조는 메인 릴레이 및/또는 프리차지 릴레이가 융착되거나 혹은 부하측 절연에 이상이 발생한 경우 이상 상태가 외부로 노출되지 않기 때문에 이상 진단이 어렵고, 또한 릴레이의 융착 혹은 절연 비정상 상태로 전류를 계속 공급하는 경우에 모듈(부품) 및 회로 손상이 발생하고 안정성이 저하될 수 있다.
또한, 이상 상태 발생으로 인해 상위 제어기와의 통신 불능 시 협조 제어가 불가능한 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 릴레이 융착 및/또는 부하 절연 이상 발생 시 상위 제어기와의 협조 제어가 불가능한 상태에서도 Fail-Safety 기능을 실행하여 자체적으로 모듈 이상을 신속하게 진단함에 따라 부품 손상을 방지하고 안정성을 향상시키도록 한, 차량의 배터리 시스템 및 그의 진단 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 시스템은, 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리에서 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 및 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터를 연결하는 전원라인 상에 배치된 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 제어하며 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터로의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 장치를 포함하고, 상기 전원 제어 장치는 차량의 시동 온 또는 오프 시에 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터의 입출력 전압 또는 전류 상태에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 스위치 소자는, 상기 고전압 배터리와 인버터의 (+)측을 연결하는 전원라인 상에 배치되는 제1 릴레이, 상기 고전압 배터리와 인버터의 (-)측을 연결하는 전원라인 상에 배치되는 제2 릴레이, 상기 고전압 배터리와 인버터의 (+)측을 연결하는 전원라인에 제1 릴레이와 병렬로 연결되는 프리차지 릴레이, 상기 제1 릴레이에 병렬로 연결되는 제1 IGBT, 및 상기 제2 릴레이에 병렬로 연결되는 제2 IGBT를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 상기 제1, 제2 릴레이, 상기 프리차지 릴레이 및 상기 제1, 제2 IGBT 중 적어도 하나의 온 또는 오프 상태를 제어하는 동안 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압, 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 상기 제1, 제2 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이의 오프 상태에서 상기 제1 내지 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 절연 이상 또는 상기 제1 및 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 차량의 시동 온 이후 상기 제1, 제2 릴레이가 오프 상태이고, 상기 프리차지 릴레이의 온 상태에서 상기 제1 및 제2 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 및 제2 전압에 기초하여 (+)측 부하의 절연 이상 상태 또는 상기 프리차지 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 차량의 시동 온 이후 상기 제1 릴레이가 오프 상태이고, 상기 제2 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이의 온 상태에서 상기 제1 내지 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 (-)측 부하의 절연 이상 상태 또는 상기 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 상기 고전압 배터리의 (+)측의 부하 전류를 검출하는 제1 전류센서, 상기 인버터의 (+)측의 IGBT 전류를 검출하는 제2 전류센서, 상기 인버터의 (-)측의 IGBT 전류를 검출하는 제3 전류센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 상기 제1, 제2 릴레이의 온 상태에서 상기 제2, 제3 전류센서에 의해 검출되는 IGBT 전류가 허용 전류 범위를 초과하는지 판단하여 상기 제1 및 제2 릴레이의 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 상기 제1, 제2 릴레이의 온 상태에서 상기 제1 전류센서에 의해 검출되는 부하 전류가 허용 전류 범위를 초과하는지 판단하여 부하 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 차량의 시동 오프 후 상기 제1, 제2 릴레이의 오프 상태에서 상기 제2, 제3 전류센서에 의해 검출되는 IGBT 전류가 허용 전류 범위를 초과하는지 판단하여 부하 이상 상태 또는 상기 제1 및 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 차량의 시동 오프 후 상기 제1, 제2 릴레이 및 상기 제1, 제2 IGBT의 오프 상태에서 상기 제1 내지 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 절연 이상 또는 상기 제1 및 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압 및 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압이 각각 분배되는 복수의 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 제어 장치는, 상기 고전압 배터리로부터 상기 복수의 저항에 각각 분배되는 고전압을 단계적으로 하향 조정하며 상기 제1 내지 제4 전압을 각각 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 저항은, 메가 옴(Mega ohm) 이상의 저항값을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 시스템의 진단 방법은, 고전압 배터리, 인버터 및 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터를 연결하는 전원라인 상에 배치된 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 제어하며 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터로의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 장치를 포함하는 배터리 시스템의 진단 방법으로서, 차량의 시동 온 시에 상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 단계, 상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 동안 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압 및 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압을 검출하는 단계, 및 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 시스템의 진단 방법은, 고전압 배터리, 인버터 및 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터를 연결하는 전원라인 상에 배치된 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 제어하며 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터로의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 장치를 포함하는 배터리 시스템의 진단 방법으로서, 차량의 시동 오프 시에 상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 단계, 상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 동안 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압 및 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압, 상기 고전압 배터리의 (+)측의 부하 전류 및 상기 인버터의 (+)측과 (-)측의 IGBT 전류를 검출하는 단계, 및 상기 검출된 제1 내지 제4 전압, 상기 부하 전류 및 상기 IGBT 전류에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 릴레이 융착 및/또는 부하 절연 이상 발생 시 상위 제어기와의 협조 제어가 불가능한 상태에서도 Fail-Safety 기능을 실행하여 자체적으로 모듈 이상을 신속하게 진단함에 따라 부품 손상을 방지하고 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 진단 테이블을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 시스템의 진단 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 진단 테이블을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 시스템의 진단 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 시스템의 동작에 따른 전압 및 전류의 변화를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 차량의 배터리 시스템 및 그의 진단 방법에 관한 것이다. 본 발명에 적용되는 차량은 고전압 배터리를 이용하여 전기 모터를 구동시켜 주행하는 차량으로서, HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등을 포함한다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 시스템은 고전압 배터리(10), 인버터(50) 및 전원 제어 장치(100)를 포함할 수 있다.
고전압 배터리(10)는 복수의 전지 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되는 구조로 형성된다. 고전압 배터리(10)는 모터 및/또는 제너레이터와 같은 차량의 구동장치의 구동 전원을 제공한다.
인버터(50)는 고전압 배터리(10)에서 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 차량의 구동장치를 구동할 수 있다. 또한, 인버터(50)는 차량의 구동장치에서 생성된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 고전압 배터리(10)로 전달할 수도 있다.
전원 제어 장치(100)는 고전압 배터리(10) 및 인버터(50) 사이에 배치되어, 고전압 배터리(10)와 인버터(50) 사이에 인가되는 신호를 제어한다.
전원 제어 장치(100)는 복수의 스위치 소자 및 전류센서를 포함할 수 있다. 또한, 전원 제어 장치(100)는 복수의 스위치 소자 및 전류센서의 온 또는 오프 상태를 제어하며, 복수의 스위치 소자 및 전류센서로부터 인가되는 신호를 분석하여 이상 상태를 진단하는 제어부(150)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 복수의 스위치 소자는 고전압 배터리(10)의 (+)측 전원라인에 연결되는 제1 릴레이(111), (-)측 전원라인에 연결되는 제2 릴레이(113), 및 고전압 배터리(10)의 (+)측 전원라인에 제1 릴레이(111)와 병렬로 연결되는 프리차지 릴레이(115)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 릴레이(111)는 고전압 배터리(10)의 (+)측과 인버터(50)의 (+)측 사이에서 고전압 배터리(10)로부터 출력되는 전류를 단속한다. 제2 릴레이(113)는 고전압 배터리(10)의 (-)측과 인버터(50)의 (-)측 사이에서 고전압 배터리(10)로 입력되는 전류를 단속한다. 또한, 프리차지 릴레이(115)는 제1, 제2 릴레이(113)에 의해 전기적인 회로가 형성되는 경우 인버터(50)와의 상호 작용에 의해 돌입전류가 발생하는 것을 차단하고, 그로 인해 제1, 제2 릴레이(111, 113)가 융착되는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 복수의 스위치 소자는 고전압 배터리(10)의 (+)측 전원라인에 제1 릴레이(111)와 병렬로 연결되는 제1 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(121) 및 고전압 배터리(10)의 (-)측 전원라인에 제2 릴레이와 병렬로 연결되는 제2 IGBT(123)를 더 포함할 수 있다.
복수의 스위치 소자는 제어부(150)와 전기적으로 연결되어, 제어부(150)로부터 출력된 온(ON) 또는 오프(OFF) 제어 신호에 의해 단락(short) 혹은 개방(open) 될 수 있다.
복수의 전류센서는 고전압 배터리(10)의 (+)측 전원라인 상에 배치되는 제1 전류센서(131)를 포함할 수 있다. 제1 전류센서(131)는 고전압 배터리(10)의 (+)측과 제1 릴레이(111) 사이에 배치되어 고전압 배터리(10)의 (+)측 부하전류를 검출한다. 제1 전류센서(131)는 제어부(150)와 전기적으로 연결되어 고전압 배터리(10)의 (+)측 부하전류의 검출 정보를 제어부(150)로 전달할 수 있다.
또한, 복수의 전류센서는 제1 IGBT(121) 및 제2 IGBT(123)에 각각 직렬로 연결되는 제2 및 제3 전류센서(134, 135)를 더 포함할 수 있다. 제2 및 제3 전류센서(134, 135)는 제1, 제2 IGBT(121, 123)의 전류를 검출한다. 이때, 제2 및 제3 전류센서(134, 135)는 제어부(150)와 전기적으로 연결되어 제1, 제2 IGBT(121, 123)의 전류의 검출 정보를 제어부(150)로 전달할 수 있다.
전원 제어 장치(100)는 고전압 배터리(10) 및/또는 인버터(50)의 전압 분배를 위한 복수의 저항부(140)를 더 포함할 수 있다. 복수의 저항부(140)는 고전압 배터리(10)의 (+)측 단자와 제1 릴레이(111) 사이의 제1 전압(V1) 측정을 위한 제1 저항부, 인버터(50)의 (+)측 단자와 제1 릴레이(111) 사이의 제2 전압(V2) 측정을 위한 제2 저항부, 고전압 배터리(10)의 (-)측 단자와 제2 릴레이 사이의 제3 전압(V3) 측정을 위한 제3 저항부, 인버터(50)의 (-)측 단자와 제2 릴레이 사이의 제4 전압(V4) 측정을 위한 제4 저항부를 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 저항부 각각은 높은 저항값, 예를 들어, Mega ohm 이상의 저항값을 갖는 저항들로 구성될 수 있다.
제어부(150)는 제1, 제2 릴레이(111, 113), 프리차지 릴레이(115), 제1, 제2 IGBT(121, 123)의 개방 또는 단락을 결정하고 결정에 따라 각 스위치 소자를 온 또는 오프 제어할 수 있다.
일 예로, 제어부(150)는 릴레이와 IGBT 중 선택적으로 온 제어하여 고전압 배터리(10)의 충/방전과 인버터(50)의 충/방전을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 차량의 시동 온 시 또는 시동 오프 시 제어부(150)는 제1, 제2 릴레이(111, 113), 프리차지 릴레이(115), 제1, 제2 IGBT(121, 123)의 온 또는 오프 제어 순서를 결정하고, 순차적으로 각 스위치 소자를 온 또는 오프 제어할 수 있다. 이때, 제어부(150)는 복수의 전류센서에 검출된 전류 및 복수의 저항부(140)에 의해 검출된 전압을 이용하여 각 스위치 소자 및 고전압 배터리(10)의 이상 상태를 진단할 수 있다.
일 예로, 제어부(150)는 도 2의 테이블을 참조하여 차량의 시동 시의 각 스위치 소자 및 고전압 배터리(10)의 이상 상태를 진단할 수 있다.
도 2의 테이블과 같이, 제어부(150)는 웨이크 업(wake-up) 및 프리차지 회로 작동 이전, 프리차지 회로 작동 후, 그리고 메인(-) 회로 작동 후의 제1 내지 제4 전압을 측정하고, 측정된 각 전압에 기초하여 이상 상태를 진단할 수 있다.
제1 동작으로서, 제어부(150)는 웨이크 업 및 프리차지 회로 작동 이전의 제1 전압(V1), 제2 전압(V2), 제3 전압(V3) 및 제4 전압(V4)을 측정하고, 측정된 각 전압의 조건을 확인하여 고전압 배터리(10)의 절연 이상 및/또는 메인 회로의 이상 상태를 진단할 수 있다.
일 예로, 제어부(150)는 제1 동작에 의해 검출된 제1 전압 및 제3 전압을 확인하여 V1=0 또는 V3=0의 조건을 만족하면 배터리 측 절연 이상을 진단할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 제1 동작에 의해 검출된 제1 내지 제4 전압을 확인하여 V1=V2 또는 V3=V4의 조건을 만족하면 메인 회로 이상을 진단할 수 있다. 여기서, 제어부(150)는 V1=V2의 조건을 만족하면 제1 릴레이(111)의 융착 상태를 진단할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 V3=V4의 조건을 만족하면 제2 릴레이의 융착 상태를 진단할 수 있다.
제어부(150)는 제1 동작에 대한 상기 조건들을 모두 만족하지 않으면 고전압 배터리(10)의 절연 상태 및 메인 회로가 정상인 것으로 진단할 수 있다.
제2 동작으로서, 제어부(150)는 프리차지 회로 작동 후, 즉, 프리차지 릴레이(115)를 온(ON) 상태로 제어한 이후의 제1 및 제2 전압을 측정하고, 측정된 각 전압에 기초하여 이상 상태를 진단할 수 있다.
일 예로, 제어부(150)는 제2 동작에 의해 검출된 제1 전압 및 제2 전압을 확인하여 V1=0 또는 V2=0의 조건을 만족하면 (+)측 부하의 절연 이상을 진단할 수 있다. 여기서, 제어부(150)는 V1=0의 조건을 만족하면 고전압 배터리(10)와 연결된 (+)측 부하의 절연 이상을 진단할 수 있다. 한편, 제어부(150)는 V2=0의 조건을 만족하면 인버터(50)와 연결된 (+)측 부하의 절연 이상을 진단할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 V1≠V2인 조건을 만족하면 프리차지 회로의 이상 상태를 진단할 수 있다.
제어부(150)는 제2 동작에 대한 상기 조건들을 만족하지 않으면 (+)측 부하의 절연 상태 및 프리차지 회로가 정상인 것으로 진단할 수 있다.
제3 동작으로서, 제어부(150)는 메인(-) 회로 작동 후, 즉, 제2 릴레이를 온(ON) 상태로 제어한 이후의 제1 내지 제4 전압을 측정하고, 측정된 각 전압에 기초하여 이상 상태를 진단할 수 있다.
일 예로, 제어부(150)는 제3 동작에 의해 검출된 제1 내지 제4 전압을 확인하여 V1+V3≠V2+V4의 조건을 만족하면 커패시터 미충전 상태로서 부하 이상 상태를 진단할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 제3 전압 및 제4 전압을 확인하여 V3=0 또는 V4=0의 조건을 만족하면 (-)측 부하의 절연 이상을 진단할 수 있다. 여기서, 제어부(150)는 V3=0의 조건을 만족하면 고전압 배터리(10)와 연결된 (-)측 부하의 절연 이상을 진단할 수 있다. 한편, 제어부(150)는 V4=0의 조건을 만족하면 인버터(50)와 연결된 (-)측 부하의 절연 이상을 진단할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 V3≠V4인 조건을 만족하면 메인(-) 회로의 이상 상태를 진단할 수 있다.
제어부(150)는 제2 동작에 대한 상기 조건을 모두 만족하지 않으면 (-)측 부하 및 메인(-) 회로가 정상인 것으로 진단할 수 있다.
이에, 제어부(150)는 제1 내지 제3 동작에 의해 이상 상태가 진단되지 않으면, 메인(+) 회로, 즉, 제1 릴레이(111)를 온(ON) 상태로 제어한다.
이상과 같이, 차량의 시동 온 시 각 스위치 소자 및 고전압 배터리(10)의 이상 상태를 진단하는 동작의 흐름은 도 3a 내지 도 3d를 참조한다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 제어부(150)는 도 3a와 같이 시동 전 제1, 제2 릴레이(111, 113) 및 프리차지 릴레이(115)가 오프(OFF)되고, 메인 회로 및 프리차지 회로가 오프(OFF) 상태에서 차량의 시동이 온(ON)되면(S110, S120), 배터리 및 메인 회로의 전압 상태를 확인한다(S130). 'S130' 과정에서, 제어부(150)는 제1 내지 제4 전압(V1~V4)을 측정하고 이로부터 배터리의 절연 상태 및 메인 회로의 릴레이 융착 상태를 확인할 수 있다.
제어부(150)는 'S130' 과정의 확인 결과로부터 배터리 및 메인 회로가 정상 상태인지를 판단한다(S140).
이때, 제어부(150)는 도 3b에 도시된 바와 같이, V1=0 이거나 V3=0 이면(S211), 배터리 측 절연 이상을 진단한다(S214).
또한, 제어부(150)는 V1=V2 이거나 V3=V4 이면(S212), 메인 회로, 즉, 제1 릴레이(111) 및/또는 제2 릴레이의 융착 상태를 진단한다(S213). 여기서, 제어부(150)는 'S213' 또는 'S214' 과정의 진단 결과를 운전자에게 안내할 수 있다.
제어부(150)는 'S140' 과정에서 배터리 및 메인 회로가 정상 상태인 것으로 확인되면, 프리차지 회로의 프리차지 릴레이(115)를 온(ON) 제어하고(S150), 이때의 프리차지 회로 및 (+)부하가 정상 상태인지를 판단한다(S160).
이때, 제어부(150)는 도 3c에 도시된 바와 같이, V1=0 이거나 V2=0 이면(S221), (+) 부하측 절연 이상을 진단한다(S224). 또한, 제어부(150)는 V1≠V2 이면(S222), 프리차지 회로, 즉, 프리차지 릴레이(115)의 융착 상태를 진단한다(S223). 여기서, 제어부(150)는 'S223' 또는 'S224' 과정의 진단 결과를 운전자에게 안내할 수 있다.
제어부(150)는 'S160' 과정에서 프리차지 회로 및 (+)부하가 정상 상태인 것으로 확인되면, 메인 회로의 제2 릴레이를 온(ON) 제어하고(S170), 이때의 부하 및 메인 회로가 정상 상태인지를 판단한다(S180).
이때, 제어부(150)는 도 3d에 도시된 바와 같이, V1+V3≠V2+V4 이면(S231), 부하 이상을 진단한다(S232). 또한, 제어부(150)는 V3=0 이거나 V4=0 이면(S233), (-)측 부하의 절연 이상을 진단한다(S234). 또한, 제어부(150)는 V3≠V4 이면(S235), (-)측 메인 회로의 이상을 진단한다(S236). 여기서, 제어부(150)는 'S232', 'S234' 또는 'S236' 과정의 진단 결과를 운전자에게 안내할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 'S180' 과정에서 부하 및 메인 회로가 정상 상태인 것으로 확인되면, 메인 회로의 제1 릴레이(111)를 온(ON) 제어하고(S190), 차량 운행을 위한 구동 전원을 제공한다(S200).
다른 예로, 제어부(150)는 도 4의 테이블을 참조하여 차량의 시동 오프 시의 각 스위치 소자 및 고전압 배터리(10)의 이상 상태를 진단할 수 있다.
도 4의 테이블과 같이, 제어부(150)는 메인 회로 작동 중, 메인 회로 차단 후, 그리고 메인 회로 차단 후 슬립 이전 상태의 제1 내지 제4 전압, 부하 전류 및 IGBT 전류를 측정하고, 측정된 각 전압 및 전류에 기초하여 이상 상태를 진단할 수 있다.
제1 동작으로서, 제어부(150)는 메인 회로 작동 중의 IGBT 전류 및 부하 전류를 측정하고, 측정된 전류 조건을 확인하여 부하 및/또는 메인 회로의 이상 상태를 진단할 수 있다.
일 예로, 제어부(150)는 제1 동작에 의해 검출된 IGBT 전류가 허용 전류 범위 내인지를 확인하여 허용 전류 범위를 초과하면 릴레이 이상 상태를 진단할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 제1 동작에 의해 검출된 부하 전류가 허용 전류 범위 내인지를 확인하여 허용 전류 범위를 초과하면 부하 이상 상태를 진단할 수 있다. 이 경우, 제어부(150)는 메인 회로를 차단하거나, 부하 측으로 출력 제한을 요청할 수 있다.
제2 동작으로서, 제어부(150)는 시동 오프(OFF) 후 인버터(50) 부하가 차단된 상태에서 부하 전류를 측정하고, 측정된 전류 조건을 확인하여 부하 및/또는 릴레이의 이상 상태를 진단할 수 있다.
일 예로서, 제어부(150)는 제2 동작에 의해 검출된 부하 전류가 허용 전류 범위 내인지를 확인하여 허용 전류 범위를 초과하면 제1, 제2 릴레이(111, 113)를 오프 제어한다. 이후, 제어부(150)는 IGBT 전류를 측정하여, 측정된 IGBT 전류가 허용 전류 범위 내이면 릴레이 이상 상태를 진단하고, 그렇지 않으면 부하 이상 상태를 진단할 수 있다. 제어부(150)는 제2 동작에 의해 검출된 부하 전류가 허용 전류 범위 내인 것으로 확인되면 메인 회로의 차단을 허용할 수 있다.
제3 동작으로서, 제어부(150)는 메인 회로를 차단하고 슬립(SLEEP) 상태로 전환되기 이전 상태의 제1 전압(V1), 제2 전압(V2), 제3 전압(V3) 및 제4 전압(V4)을 측정하고, 측정된 각 전압의 조건을 확인하여 부하 및/또는 메인 회로의 이상 상태를 진단할 수 있다.
일 예로, 제어부(150)는 제3 동작에 의해 검출된 제1 전압 및 제3 전압을 확인하여 V1=0 또는 V3=0의 조건을 만족하면 배터리 측 절연 이상을 진단할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 제3 동작에 의해 검출된 제1 내지 제4 전압을 확인하여 V1=V2 또는 V3=V4의 조건을 만족하면 메인 회로 이상을 진단할 수 있다. 여기서, 제어부(150)는 V1=V2의 조건을 만족하면 제1 릴레이(111)의 융착 상태를 진단할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 V3=V4의 조건을 만족하면 제2 릴레이의 융착 상태를 진단할 수 있다.
이상과 같이, 차량의 시동 오프 시 각 스위치 소자 및 고전압 배터리(10)의 이상 상태를 진단하는 동작의 흐름은 도 5a 내지 도 5d를 참조한다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 제어부(150)는 차량 운행 중(S310), IGBT 전류 상태를 확인하여 IGBT 전류가 허용 전류 범위를 초과하는 것으로 확인되면(S320), 릴레이 이상을 진단한다(S325). 이때, 제어부(150)는 'S325' 과정의 진단 결과를 운전자에게 안내할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 '320' 과정에서 IGBT 전류가 허용 전류 범위 내인 것으로 확인되면 부하 전류 상태를 확인한다. 제어부(150)는 부하 전류가 허용 전류 범위를 초과하는 것으로 확인되면(S330), 도 5b에 도시된 바와 같이 부하 이상 상태를 진단할 수 있다(S411). 이때, 제어부(150)는 부하 전류가 상한 기준치를 초과하는 것으로 확인되면(S412), 위험 상태인 것으로 판단하여 메인 회로를 차단하고(S413), 그렇지 않은 경우에는 부하 측으로 출력 제한을 요청할 수 있다(S414). 여기서, 제어부(150)는 'S411' 과정의 진단 결과를 운전자에게 안내할 수 있다.
한편, 'S330' 과정에서 부하 전류가 허용 전류 범위 내인 것으로 확인되면, 제어부(150)는 차량의 시동을 허용할 수 있다.
차량의 시동이 오프(OFF) 상태가 되면(S335), 제어부(150)는 인버터(50) 부하가 차단된 상태에서 부하 전류 상태를 확인한다. 제어부(150)는 부하 전류가 허용 전류 범위를 초과하는 것으로 확인되면(S340), 도 5c에 도시된 바와 같이 제1, 제2 릴레이(111, 113)를 오프 제어한다(S421). 이후, 제어부(150)는 IGBT 전류 상태를 확인하여 IGBT 전류가 허용 전류 범위를 초과하면 부하 이상 상태를 진단하고(S423), 허용 전류 범위 내이면 릴레이 이상 상태를 진단할 수 있다(S424). 이때, 제어부(150)는 'S423' 또는 'S424' 과정의 진단 결과를 운전자에게 안내할 수 있다.
한편, 'S340' 과정에서 부하 전류가 허용 전류 범위 내인 것으로 확인되면, 제어부(150)는 제1, 제2 릴레이(111, 113)를 오프 제어하고(S350), 제1, 제2 IGBT를 오프 제어한다(S360).
이후, 제어부(150)는 메인 회로의 전압 상태, 예를 들어, 제1 내지 제4 전압(V1~V4) 상태를 확인하고(S370), 제1 내지 제4 전압(V1~V4)과 전압 조건을 비교하여 배터리 및 메인 회로가 정상 상태인지를 판단한다(S380).
이때, 제어부(150)는 도 5d에 도시된 바와 같이, V1=0 이거나 V3=0 이면(S431), 배터리 측 절연 이상을 진단한다(S432). 또한, 제어부(150)는 V1=V2 이거나 V3=V4 이면(S433), 메인 회로, 즉, 제1 릴레이(111) 및/또는 제2 릴레이의 융착 상태를 진단한다(S434). 이때, 제어부(150)는 'S432' 또는 'S434' 과정의 진단 결과를 운전자에게 안내할 수 있다.
제어부(150)는 'S380' 과정에서 배터리 및 메인 회로가 정상 상태인 것으로 확인되면 차량이 정상적으로 종료되도록 할 수 있다(390).
상기에서와 같이 동작하는 본 실시예에 따른 전원 제어 장치(100)의 제어부(150)는 메모리와 각 동작을 처리하는 프로세서를 포함하는 독립적인 하드웨어 장치 형태로 구현될 수 있으며, 마이크로프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.
도 6a는 종래 배터리 시스템의 과부하 조건에서 인버터(50) 전압, 릴레이 전류 및 IGBT 전류 변화를 나타낸 것이고, 도 6b는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 과부하 조건에서 인버터(50) 전압, 릴레이 전류 및 IGBT 전류 변화를 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 종래의 배터리 시스템은 과부하 조건에서 릴레이 응답 편차값 이상으로 IGBT의 ON 상태가 유지된 것에 반해, 본 발명의 배터리 시스템은 과부하 조건에서 IGBT의 ON 상태를 오래 유지할 필요 없이 전류 센싱을 통해 릴레이 응답에 맞추어 IGBT를 OFF 제어할 수 있어 IGBT의 발열 현상을 최소화하고 내구성이 악화되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 고전압 배터리 50: 인버터
100: 전원 제어 장치 111: 제1 릴레이
113: 제2 릴레이 115: 프리차지 릴레이
121: 제1 IGBT 123: 제2 IGBT
131: 제1 전류센서 134: 제2 전류센서
135: 제3 전류센서 140: 저항부
150: 제어부

Claims (16)

  1. 고전압 배터리;
    상기 고전압 배터리에서 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터; 및
    상기 고전압 배터리 및 상기 인버터를 연결하는 전원라인 상에 배치된 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 제어하며 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터로의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 장치를 포함하고,
    상기 전원 제어 장치는,
    차량의 시동 온 또는 오프 시에 상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하고,
    상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 동안 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압 및 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압을 검출하고,
    상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 스위치 소자는,
    상기 고전압 배터리와 인버터의 (+)측을 연결하는 전원라인 상에 배치되는 제1 릴레이;
    상기 고전압 배터리와 인버터의 (-)측을 연결하는 전원라인 상에 배치되는 제2 릴레이;
    상기 고전압 배터리와 인버터의 (+)측을 연결하는 전원라인에 제1 릴레이와 병렬로 연결되는 프리차지 릴레이;
    상기 제1 릴레이에 병렬로 연결되는 제1 IGBT; 및
    상기 제2 릴레이에 병렬로 연결되는 제2 IGBT를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    상기 제1, 제2 릴레이, 상기 프리차지 릴레이 및 상기 제1, 제2 IGBT 중 적어도 하나의 온 또는 오프 상태를 제어하는 동안 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압, 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    상기 제1, 제2 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이의 오프 상태에서 상기 제1 내지 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 절연 이상 또는 상기 제1, 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    차량의 시동 온 이후 상기 제1, 제2 릴레이가 오프 상태이고, 상기 프리차지 릴레이의 온 상태에서 상기 제1 및 제2 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 및 제2 전압에 기초하여 (+)측 부하의 절연 이상 상태 또는 상기 프리차지 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    차량의 시동 온 이후 상기 제1 릴레이가 오프 상태이고, 상기 제2 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이의 온 상태에서 상기 제1 내지 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 (-)측 부하의 절연 이상 상태 또는 상기 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    상기 고전압 배터리의 (+)측의 부하 전류를 검출하는 제1 전류센서, 상기 인버터의 (+)측의 IGBT 전류를 검출하는 제2 전류센서, 상기 인버터의 (-)측의 IGBT 전류를 검출하는 제3 전류센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    상기 제1, 제2 릴레이의 온 상태에서 상기 제2, 제3 전류센서에 의해 검출되는 IGBT 전류가 허용 전류 범위를 초과하는지 판단하여 상기 제1, 제2 릴레이의 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    상기 제1, 제2 릴레이의 온 상태에서 상기 제1 전류센서에 의해 검출되는 부하 전류가 허용 전류 범위를 초과하는지 판단하여 부하 이상 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    차량의 시동 오프 후 상기 제1, 제2 릴레이의 오프 상태에서 상기 제2, 제3 전류센서에 의해 검출되는 IGBT 전류가 허용 전류 범위를 초과하는지 판단하여 부하 이상 상태 또는 상기 제1, 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    차량의 시동 오프 후 상기 제1, 제2 릴레이 및 상기 제1, 제2 IGBT의 오프 상태에서 제1 내지 제4 전압을 검출하고, 상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 절연 이상 또는 상기 제1, 제2 릴레이의 융착 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압 및 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압이 각각 분배되는 복수의 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전원 제어 장치는,
    상기 고전압 배터리로부터 상기 복수의 저항에 각각 분배되는 고전압을 단계적으로 하향 조정하며 상기 제1 내지 제4 전압을 각각 검출하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 복수의 저항은,
    메가 옴(Mega ohm) 이상의 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
  15. 고전압 배터리, 인버터 및 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터를 연결하는 전원라인 상에 배치된 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 제어하며 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터로의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 장치를 포함하는 배터리 시스템의 진단 방법으로서,
    차량의 시동 온 시에 상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 단계;
    상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 동안 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압 및 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 제1 내지 제4 전압에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템의 진단 방법.
  16. 고전압 배터리, 인버터 및 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터를 연결하는 전원라인 상에 배치된 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 제어하며 상기 고전압 배터리 및 상기 인버터로의 전원 공급을 제어하는 전원 제어 장치를 포함하는 배터리 시스템의 진단 방법으로서,
    차량의 시동 오프 시에 상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 단계;
    상기 복수의 스위치 소자의 온 또는 오프 상태를 단계적으로 제어하는 동안 상기 고전압 배터리의 (+)측의 제1 전압, 상기 인버터의 (+) 측의 제2 전압, 상기 고전압 배터리의 (-)측의 제3 전압 및 상기 인버터의 (-) 측의 제4 전압, 상기 고전압 배터리의 (+)측의 부하 전류 및 상기 인버터의 (+)측과 (-)측의 IGBT 전류를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 제1 내지 제4 전압, 상기 부하 전류 및 상기 IGBT 전류에 기초하여 상기 복수의 스위치 소자 및 부하의 이상 상태를 진단하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템의 진단 방법.
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