KR20180035342A - 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치 및 그 방법 - Google Patents

하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치가 개시된다. 이 장치는 인버터의 DC-링크 전압을 모니터링하여, 인버터의 과전압 발생 및 BMS의 고장 발생을 판단하고, 인버터의 과전압 발생 및 BMS의 고장 발생을 확인한 경우, DC-링크 전압을 안정화시킨다.

Description

하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROTECTING INVERTER IN HYBRID VEHICLE FROM OVERVOLTAGE}
본 발명은 하이브리드 차량의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 마일드(MILD) 하이브리드 차량의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
차량의 연비 향상과 친환경 차량에 대한 관심이 증가하면서, 하이브리드 차량에 대한 기술개발이 활발히 이루어지고 있는 추세이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 엔진과 전기모터의 조합으로 주행하는 차량으로서, 엔진과 전기모터의 파워 분담비에 따라 마일드(Mild), 미들(Middle) 및 하드(Hard) 타입으로 분류된다.
엔진의 용량에 비해 전기모터의 용량이 큰 차량을 하드 하이브리드 차량이라 지칭하고, 반대로, 엔진의 용량에 비해 모터의 용량이 적은 차량을 마일드 하이브리드 차량이라 지칭한다.
최근에 출시되는 하이브리드 차량에 설계되는 마일드 하이브리드 시스템은 배터리와, 모터 및 상기 배터리와 상기 모터를 연결하는 전기적으로 연결하는 인버터를 포함하도록 구성되는데, 일반차량과 달리, 상기 배터리가 시동전원을 출력하는 시동배터리(예를 들면, 12V)와 차량제어용 전원을 출력하는 제어용 전원을 출력하는 이차배터리(예를 들면, 48V)를 포함하도록 설계된다.
이러한 마일드 하이브리드 시스템은 차량의 전기모터를 제어하여, 차량 시동, 차량 발진 시 기동 토크 부가, 주행 중 엔진 토크 어시스트, 차량 정지 시 엔진 정지, 소위 아이들 스톱(Idle Stop)후 재시동 등의 배터리의 에너지 방전을 통한 모터 구동 제어 모드와, 정지 시 발전, 주행 중 발전 등으로 시동배터리 및 이차배터리를 충전시키는 모터 발전 제어 모드를 갖는다.
한편, 시동배터리 및 이차배터리 중에서 이차배터리는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이라는 제어 장치에 의해 관리된다.
그런데, 마일드 하이브리드 시스템이 모터 발전 제어 모드로 동작하는 동안에, BMS의 고장/오동작 또는 BMS에 의한 배터리 보호 동작으로 인해, 이차 배터리와 전기모터의 연결이 해제(Relay Off)되는 경우, 엔진 및 전기모터로부터의 에너지가 인버터 쪽으로 과도하게 유입되어 인버터 내에 설계되는 DC-링크 커패시터의 양단에 걸리는 DC 링크 전압이 상승하고, 이에 따른 과전압으로 인버터에 소손이 발생한다. 이에, 과전압에 의한 인버터의 소손을 방지할 수 있는 장치 개발이 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 과전압에 의한 인버터의 소손을 방지할 수 있는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법은, 엔진과 모터의 조합으로 주행하는 하이브리드 차량 내에 구비된 마일드 하이브리드 시스템 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법으로서, 상기 인버터의 DC-링크 전압(
Figure pat00001
), 상기 모터의 속도 및 배터리 모듈과 상기 인버터를 전기적으로 연결하는 스위치의 스위칭 상태를 모니터링 하여, 상기 인버터를 과전압으로부터 보호하는 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 단계; 상기 과전압 보호 제어 개시가 결정되면, 목표 전압(
Figure pat00002
)과 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00003
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전류 지령치(
Figure pat00004
)를 계산하는 단계; 상기 q축 전류 지령치(
Figure pat00005
)와 상기 모터로부터 피드백된 q축 전류(
Figure pat00006
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전압 지령치(
Figure pat00007
)를 계산하는 단계; 상기 모터의 현재 속도(ω)에 맵핑되는 d축 전류 지령치(
Figure pat00008
)를 전류맵으로부터 획득하는 단계; 상기 d축 전류 지령치(
Figure pat00009
)와 상기 모터로부터 피드백된 d축 전류(
Figure pat00010
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, d축 전압 지령치(
Figure pat00011
)를 계산하는 단계; 및 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00012
)을 낮추고, 상기 모터로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하도록 상기 q축 전압 지령치(
Figure pat00013
)와 상기 d축 전압 지령치(
Figure pat00014
)에 응답하여, 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치는, 엔진과 모터의 조합으로 주행하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치로서, 상기 인버터의 DC-링크 전압(
Figure pat00015
), 상기 모터의 속도 및 배터리 모듈과 상기 인버터를 전기적으로 연결하는 스위치의 스위칭 상태를 모니터링 하여, 상기 인버터를 과전압으로부터 보호하는 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 제어 개시 판정부; 상기 과전압 보호 제어 개시가 결정되면, 목표 전압(
Figure pat00016
)과 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00017
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전류 지령치(
Figure pat00018
)를 계산하는 제1 비례적분 제어기; 상기 q축 전류 지령치(
Figure pat00019
)와 상기 모터로부터 피드백된 q축 전류(
Figure pat00020
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전압 지령치(
Figure pat00021
)를 계산하는 제2 비례적분 제어기; 상기 모터의 현재 속도(ω)에 맵핑되는 d축 전류 지령치(
Figure pat00022
)를 출력하는 전류맵; 상기 d축 전류 지령치(
Figure pat00023
)와 상기 모터로부터 피드백된 d축 전류(
Figure pat00024
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, d축 전압 지령치(
Figure pat00025
)를 계산하는 제3 비례적분 제어기; 및 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00026
)을 낮추고, 상기 모터로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하도록 상기 q축 전압 지령치(
Figure pat00027
)와 상기 d축 전압 지령치(
Figure pat00028
)에 응답하여, 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위치 제어기;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 과전압으로부터 인버터의 소손을 방지하고, 나아가 엔진 구동 중에 모터와 이차 배터리 간의 연결 해제 시에도 시동 배터리에 의해 동작하는 전장 부하에 안정적으로 발전 에너지를 공급할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마일드 하이브리드 시스템의 전체 구성을 나타낸 기능 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 과전압 보호장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 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 명세서에서 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 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 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 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "유닛" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마일드 하이브리드 시스템의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마일드 하이브리드 시스템(100)은 엔진의 용량에 비해 모터의 용량이 적은 마일드 하이브리드 전기 차량(mild hybrid electric vehicle)의 동력 제어를 위한 시스템으로, 모터(110), 인버터(120), 제1 배터리 모듈(130), DC-DC 컨버터(140), 제2 배터리 모듈(150) 및 과전압 보호장치(160)를 포함한다.
상기 모터(110)는, 벨트(20)에 의해 엔진(10)과 기계적으로 연결되어, 차량의 속도와 엔진(10)의 효율에 따라 전동모드와 발전모드(또는 회생모드)로 구동될 수 있다. 상기 모터(110)는 엔진의 효율이 낮은 운전영역(예를 들면, 저속 주행 구간 등)에서 엔진(10)의 구동 없이 모터(110)의 출력만을 이용하여, 차량을 주행시키는 전동 모드로 구동될 수 있으며, 상대적으로 엔진의 효율이 높은 운전영역(예를 들면, 고속 주행 구간)에서는 상기 엔진(10)의 출력을 이용해, 전력을 생산하고, 제 1 및 2 배터리 모듈(130, 150)에 저장하는 발전모드로 구동될 수 있다. 여기에서, 상기 모터(110)는 AC 모터 또는 DC 모터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 배터리 모듈(130)과 상기 제2 배터리 모듈(150)은 상기 모터(110)의 동작모드(전동모드 또는 발전모드)에 따라, 일정한 전압을 충전 또는 방전할 수 있다.
제1 배터리 모듈(130)는 스위치(132), 제1 배터리(134) 및 배터리 관리 시스템(136)(BMS: Battery Management System)을 포함할 수 있으며, 도 1에는 BMS(136)를 포함하는 제1 배터리 모듈(130)을 예시하고 있으나, BMS(136)는 제1 배터리 모듈(130)의 외부에 구비될 수 도 있다. 상기 제1 배터리(134)는 '이차 배터리'라 지칭할 수도 있다. 스위치(132)는, 예를 들면, 릴레이(relay) 스위치일 수 있으며, 스위칭 동작에 따라, 제1 배터리(134)와 인버터(120)를 전기적으로 연결하고, 제1 배터리(134)와 DC-DC 컨버터(140)를 전기적으로 연결할 수 있다. 여기서, 상기 제1 배터리(134)는, 예를 들면, 다수의 리튬(Lithium) 이온 전지셀로 조립된 전지팩 일 수 있으며, 48[V]의 전원을 제1 전장부하(30)에 공급할 수 있다. 상기 제1 전장부하(30)는, 예를 들면, 헤드램프, 에어컨, 오디오 등일 수 있다. 한편, 도 1에서는 스위치(132)를 포함하도록 구성된 상기 제1 배터리 모듈(130)을 도시하고 있으나, 상기 스위치(132)가 상기 상기 제1 배터리 모듈(130)의 외부에 설계될 수 있으며, 이 경우, 제1 배터리 모듈(130)의 내부에서 상기 스위치(132)는 제거된다. 상기 BMS(136)는 상기 제1 배터리(134)의 전압, 전류, 온도 등과 같은 변수를 모니터링하고, 배터리 충전상태(SOC, State Of Charge)를 연산하여 배터리 상태 정보, 오류 정보 등을 계측한다. 또한, 상기 BMS(136)는 상기 계측한 배터리 상태 정보, 오류 정보 등을 디스플레이 할 뿐만 아니라 상기 제1 배터리(134)를 물리적으로 제어, 예컨대 셀 밸런싱, 냉각, 공급 전압 및 전류 제한 같은 기능을 수행하여 이차배터리의 과충전이나 과방전을 방지하도록 충전을 제어한다. 또한, 상기 BMS(136)는 마일드 하이브리드 시스템의 상위 제어기(도시하지 않음) 및/또는 상기 과전압 보호장치(160)에 상기 제1 배터리(134)에서 감지한 전압 감지 데이터를 송신할 수 있다. 상기 상위 제어기는 상기 BMS(136)로부터 수신된 전압 감지 데이터를 확인하여 발전장치를 구동시켜 상기 제1 배터리(134)를 충전시킨다.
상기 제2 배터리 모듈(150)은 상기 DC-DC 컨버터(140)에 전기적으로 연결되고, 상기 DC-DC 컨버터(140)에 의해 감압된 전압을 충전하고, 충전된 전압을 제2 전장 부하(40)로 공급할 수 있다. 도 1에 도시하지는 않았으나, 상기 제2 배터리 모듈(150)은, 예를 들면, 12[V]의 연축 전지를 포함할 수 있으며, '시동 배터리'라 지칭할 수도 있으며, 상기 제2 전장 부하(40)는, 예를 들면, 시동키 박스 및 시동 모터일 수 있다.
상기 인버터(120)는 상기 모터(110)와 제 1 배터리 모듈(130)을 전기적으로 연결하며, 상기 모터(110)의 동작모드가 전동모드인 경우에는 제1 배터리 모듈(130)로부터 인가되는 전압을 교류(AC)형태로 변환하며, 발전모드(또는 회생모드)인 경우에는 모터(110)로부터 인가되는 전압을 직류(DC)로 변환한다. 이를 위해, 상기 인버터(120)는 DC-링크 커패시터(122)와 전력 스위치(124)를 포함할 수 있다. 상기 DC-링크 커패시터(122)는 상기 전력 스위치(124)에 병렬로 연결되어, 상기 제1 배터리 모듈(130)과 상기 전력 스위치(124)를 전기적으로 연결한다. 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 전력 스위치(124)는 병렬로 연결된 다수의 스위치 쌍을 포함하고, 각 스위치 쌍은 적어도 2개의 전력 스위치가 직렬로 연결될 수 있다. 한편, 도 1에서는 상기 DC-링크 커패시터(122)를 포함하도록 구성된 상기 인버터(120)를 도시하고 있으나, 상기 DC-링크 커패시터(122)가 상기 인버터(120)의 외부에 설계될 수 있으며, 이 경우, 상기 인버터(120) 내부에서 상기 상기 DC-링크 커패시터(122)는 제거된다.
상기 DC-DC 컨버터(140)는 제1 배터리 모듈(130)과 제2 배터리 모듈(150)을 전기적으로 연결하고, 상기 인버터(120)와 상기 제2 배터리 모듈(150)을 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 상기 DC-DC 컨버터(140)는 상기 모터(110)의 동작모드에 따라, 승압모드(Boost) 또는 강압모드(Buck)로 동작할 수 있다. 즉, 상기 DC-DC 컨버터(140)는 상기 제2 배터리 모듈(150)의 전압(예를 들면, 12[V])을 승압하여, 상기 모터(110)에 공급하는 승압(BOOST)모드 또는 상기 모터(110)로부터 공급되는 전압을 강압하여, 상기 제2 배터리 모듈(150)에 공급하는 강압(BUCK)모드로 구동하는 양방향 DC - DC 컨버터일 수 있다.
상기 과전압 보호장치(160)는 상기 인버터(120) 내에 구비된 상기 DC-링크 커패시터(12)의 DC-링크 전압을 모니터링 하여, 발전모드 즉, 상기 엔진(10) 및 모터(110)로부터 유입되는 에너지로 인해 상기 인버터(120)에서 과전압이 확인된 경우 또는 상기 BMS(136)의 고장이 확인된 경우, 전류 맵에 기반한 전압 제어 방식에 따라 상기 DC-링크 전압을 안정화 시키고, 지속적인 발전 구동을 수행할 수 있게 한다. 여기서, 상기 BMS(136)의 고장의 여부는 상기 과전압 보호장치(160)와 상기 BMS(136) 간의 통신 상태로부터 확인할 수 있으며, 예를 들면, 상기 과전압 보호장치(160)의 요청에 대해 기 설정된 시간 동안 상기 BMS(136)로부터 응답이 수신되지 않거나, 불규칙적으로 수신되는 통신 상태로부터 확인할 수 있다. 또는, 상기 BMS(136)가 자체적으로 고장 상태를 확인한 후, 상기 과전압 보호장치(160)가 상기 BMS(136)로부터 상기 고장 상태를 지시하는 신호(예를 들면, 플래그 신호)의 수신 여부를 통해 상기 BMS(136)의 고장 여부를 확인할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 상기 과전압 보호장치(160)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시한 상기 과전압 보호장치(160)의 내부 구성을 개략적으로 도시한 기능 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 과전압 보호장치(160)는 제어 개시 판정부(160-1), 제1 비례적분(Proportional Integral: PI) 제어기(160-3), 제2 PI 제어기(160-5), 전류맵(160-7), 제3 PI 제어기(160-9) 및 스위치 제어기(160-11)를 포함한다.
상기 제어 개시 판정부(160-1)는 과전압으로부터 상기 인버터(120)를 보호하도록 과전압 보호 제어 개시 여부를 판단하고, 판단 결과, 과전압 보호 제어 개시가 결정되면, 그 결정에 따라 상기 구성들(160-3, 160-5, 160-7, 160-9 및 160-11)들에게 동작 개시를 지시한다. 구체적으로, 상기 제어 개시 판정부(160-1)는 발전모드에서, 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00029
) 상태, 모터(110)의 구동 상태 및 제1 배터리(134)와 인버터(120)를 연결하는 스위치(132)의 스위칭 상태 중 적어도 하나를 모니터링 하여, 상기 구성들(160-3, 160-5, 160-7, 160-9 및 160-11)들에게 동작 개시를 결정한다. 예를 들면, 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00030
)이 사전에 설정한 제한 전압을 초과하고, 모터(110)가 구동 중인 상태(모터 속도 > 0(zero) rpm)에서 상기 스위치(132)가 오프(OFF) 상태인 경우, 발전모드에서 상기 인버터(120)에 과전압이 유입되고, 상기 BMS(136)에서 고장이 발생한 것으로 판단하여, 과전압 보호 제어 개시를 결정한다.
상기 제1 PI 제어기(160-3)는, 상기 제어 개시 판정부(160-1)의 동작 개시 지시에 따라, 목표 전압(
Figure pat00031
)과 전압 센서(70)에서 감지한 DC-링크 커패시터(122)의 DC-링크 전압(
Figure pat00032
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전류 지령치(
Figure pat00033
)를 계산한다. 즉, 상기 제1 PI 제어기(160-3)는 상기 목표 전압(
Figure pat00034
)과 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00035
) 간의 차이를 0(zero)으로 제어하는 상기 q축 전류 지령치(
Figure pat00036
)를 계산한다.
상기 제2 PI 제어기(160-5)는 상기 q축 전류 지령치(
Figure pat00037
)와 상기 모터(110)에 흐르는 전류를 감지하는 전류 센서(60)로부터 피드백된 q축 전류(
Figure pat00038
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전압 지령치(
Figure pat00039
)를 계산한다. 즉, 상기 제2 PI 제어기(160-5)는 상기 q축 전류 지령치(
Figure pat00040
)와 상기 q축 전류(
Figure pat00041
) 간의 차이를 0(zero)으로 제어하는 q축 전압 지령치(
Figure pat00042
)를 계산한다. 여기서, 상기 q축 전류(
Figure pat00043
)는, 잘 알려진 바와 같이, 토크 즉, 모터(110)의 기계적 출력을 제어하는(또는 발생시키는) 변수로서, 본 발명에서는, 이러한 전류 센서(60)로부터 피드백된 q축 전류(
Figure pat00044
)가 모터(110)의 토크를 제어하는 목적으로 사용되는 것이 아니라 상기 인버터(120)의 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00045
)을 제어하기 위한(안정화 시키기 위한) 목적으로 사용되는 점을 주목해야 한다.
상기 전류맵(160-7)은 속도 센서(50)로부터 입력되는 모터(110)의 현재 속도(ω, 회전자의 속도)에 맵핑되는 d축 전류 지령치(
Figure pat00046
)를 출력한다(계산한다). 상기 전류맵(160-7)은, 상기 인버터(120)가 과전압으로 소손되는 것을 방지하기 위해, 상기 모터(110)로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하도록 모터(110)의 속도 별로 사전에 계산된(또는 학습된) 다수의 d축 전류 지령치가 저장된 메모리, 예를 들면, 비휘발성 메모리일 수 있다.
상기 제3 PI 제어기(160-9)는, 상기 전류맵(160-7)으로부터 출력되는 d축 전류 지령치(
Figure pat00047
)와 상기 전류 센서(60)로부터 피드백된 d축 전류(
Figure pat00048
)에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, d축 전압 지령치(
Figure pat00049
)를 계산한다. 즉, 상기 제3 PI 제어기(160-9)는 상기 d축 전류 지령치(
Figure pat00050
)와 상기 d축 전류(
Figure pat00051
) 간의 차이를 0(zero)으로 제어하는 d축 전압 지령치(
Figure pat00052
)를 계산한다. 여기서, 상기 전류 센서(60)로부터 피드백된 상기 d축 전류(
Figure pat00053
)는 인버터의 DC-링크 전압이 목표 전압(
Figure pat00054
)을 초과하는 경우 전압을 낮추고, 모터(110) 및 엔진(도 1의 10)이 고속 회전 시 모터(110)로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하여 인버터(120)가 과전압으로 소손되는 것을 방지하는 목적으로 사용됨을 주목해야 한다.
상기 스위치 제어기(160-11)는 상기 제2 PI제어기(160-5)로부터의 q축 전압 지령치(
Figure pat00055
)와 상기 제3 PI제어기(160-9)로부터의 d축 전압 지령치(
Figure pat00056
)에 응답하여, 상기 전력 스위치(124)의 스위칭 동작을 제어하여, 발전모드에서 상기 인버터(120)의 높아진 DC-링크 전압(
Figure pat00057
)을 낮추도록 모터(110) 및 엔진(도 1의 10)이 고속 회전 시 모터(110)로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하여 인버터(120)가 과전압으로 소손되는 것을 방지한다.
이와 같이, 본 발명에 일 실시 예에 따른 과전압 보호장치(160)는 인버터(120)에서 과전압이 발생한 경우, 토크 제어 방식이 아니라 전압 제어 방식으로 인버터를 제어 방식을 변경하여, 모터 및 엔진 회전 시 제1 배터리 모듈(130)이 인버터(120)와의 연결이 해제된 상태에서도 인버터를 과전압에 의하 고장 및 소손으로부터 보호할 수 있다.
또한, 도 2에 도시한 과전압 보호장치(160)의 내부 구성들은 하나의 칩에에 탑재 가능하도록 제어로직으로 설계가 가능하며, 이 경우, 과전압으로부터 인버터를 보호하기 위한 별도의 추가 하드웨어가 요구되지 않는다.
또한, 제1 배터리 모듈(130)의 고장 시에도, 제2 배터리 모듈(150)을 통해 DC-DC 컨버터(140)에 연결된 제2 전장부하(40)에 안정적으로 에너지를 공급할 수 있다.
또한, 역기전력이 낮은 영구 자석 동기 모터(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)인 경우, 출력(파워 및 토크)를 높이기 위해, 큰 전류를 인가함으로써, PMSM의 부피 증가 및 인버터의 부피 증가하지만, 본 발명의 과전압 보호장치가 탑재된 마일드 하이브리드 시스템을 적용하면, 출력 전류를 낮출 수 있으므로, PMSM 및 인버터의 부피를 줄일 수 있고, 차량 연비를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법을 나타낸 순서도로서, 설명의 이해 위해, 도 1 및 2가 함께 참조되며, 다만, 아래의 각 단계를 설명함에 있어서 도 1 및 2를 참조한 설명과 중복되는 설명은 간략하게 기재하거나 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 먼저, 단계 S310에서, 상기 제어 개시 판정부(160-1)에서, 상기 인버터(120)의 DC-링크 전압(
Figure pat00058
), 상기 모터(110)의 속도 및 배터리 모듈(130, 150)과 상기 인버터(120)를 전기적으로 연결하는 스위치(132)의 스위칭 상태를 모니터링 하는 과정이 수행된다.
이어, 단계 S320에서, 상기 제어 개시 판정부(160-1)에서, 전단계에서 모니터링 한 결과를 기반으로, 상기 인버터(120)를 과전압으로부터 보호하는 과전압 보호 제어 개시 여부를 결정한다. 예를 들면, 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00059
)이 제한 전압을 초과하고, 상기 모터의 속도가 0 rpm을 초과하고, 상기 스위치의 스위칭 상태가 오프(OFF) 상태이면, 상기 과전압 보호 제어 개시를 결정한다.
이어, 단계 S330에서, 상기 과전압 보호 제어 개시가 결정되면, q축 전류 지령치(
Figure pat00060
)를 계산하는 과정이 수행된다. q축 전류 지령치(
Figure pat00061
)는 목표 전압(
Figure pat00062
)과 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00063
)에 대해 비례 적분 제어를 수행한 결과로부터 계산될 수 있다. 여기서, 상기 목표 전압(
Figure pat00064
)는 상기 인버터 내의 DC-링크 전압을 안정화시기 위한 기준 전압일 수 있다.
이어, 단계 S340에서, q축 전압 지령치(
Figure pat00065
)를 계산하는 과정이 수행된다. q축 전압 지령치(
Figure pat00066
)는 상기 q축 전류 지령치(
Figure pat00067
)와 상기 모터(110)로부터 피드백된 q축 전류(
Figure pat00068
)에 대해 비례 적분 제어를 수행한 결과로부터 계산될 수 있따.
이어, 단계 S350에서, 상기 모터(110)의 현재 속도(ω)에 맵핑되는 d축 전류 지령치(
Figure pat00069
)를 계산하는 과정이 수행된다. d축 전류 지령치(
Figure pat00070
)는 모터의 속도별 사전에 학습된 다수의 d축 전류 지령치가 저장된 전류맵으로부터 획득할 수 있다.
이어, 단계 S360에서, d축 전압 지령치(
Figure pat00071
)를 계산하는 과정이 수행된다. d축 전압 지령치(
Figure pat00072
)는 상기 d축 전류 지령치(
Figure pat00073
)와 상기 모터(110)로부터 피드백된 d축 전류(
Figure pat00074
)에 대해 비례 적분 제어를 수행한 결과로부터 계산될 수 있다.
이어, 단계 S370에서, 상기 DC-링크 전압(
Figure pat00075
)을 낮추고, 상기 모터로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하도록 상기 q축 전압 지령치(
Figure pat00076
)와 상기 d축 전압 지령치(
Figure pat00077
)에 응답하여, 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 과정이 수행함으로, 일련의 모든 과정이 종료된다.
과전압으로부터 인버터의 소손을 방지하고, 나아가 엔진 구동 중에 모터와 이차 배터리 간의 연결 해제 시에도 시동 배터리에 의해 동작하는 전장 부하에 안정적으로 발전 에너지를 공급할 수 있는 과전압 보호장치(160)를 나타내는 도 2의 블록도는 발명의 원리를 기능적 관점에서 구체화한 것으로 이해해야 한다. 이와 유사하게, 도 3의 순서도는 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 도 2의 블록들은 전용 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다.
도 2의 블록들이 프로세서에 의해 구현될 때, 도 2에 도시된 블록들의 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.
또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 물론 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 엔진과 모터의 조합으로 주행하는 하이브리드 차량 내에 구비된 마일드 하이브리드 시스템 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법에 있어서,
    상기 인버터의 DC-링크 전압(
    Figure pat00078
    ), 상기 모터의 속도 및 배터리 모듈과 상기 인버터를 전기적으로 연결하는 스위치의 스위칭 상태를 모니터링 하여, 상기 인버터를 과전압으로부터 보호하는 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 단계;
    상기 과전압 보호 제어 개시가 결정되면, 목표 전압(
    Figure pat00079
    )과 상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00080
    )에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전류 지령치(
    Figure pat00081
    )를 계산하는 단계;
    상기 q축 전류 지령치(
    Figure pat00082
    )와 상기 모터로부터 피드백된 q축 전류(
    Figure pat00083
    )에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전압 지령치(
    Figure pat00084
    )를 계산하는 단계;
    상기 모터의 현재 속도(ω)에 맵핑되는 d축 전류 지령치(
    Figure pat00085
    )를 전류맵으로부터 획득하는 단계;
    상기 d축 전류 지령치(
    Figure pat00086
    )와 상기 모터로부터 피드백된 d축 전류(
    Figure pat00087
    )에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, d축 전압 지령치(
    Figure pat00088
    )를 계산하는 단계; 및
    상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00089
    )을 낮추고, 상기 모터로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하도록 상기 q축 전압 지령치(
    Figure pat00090
    )와 상기 d축 전압 지령치(
    Figure pat00091
    )에 응답하여, 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  2. 제1항에서, 상기 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 단계는,
    상기 마일드 하이브리드 시스템이 엔진의 출력을 이용하여 상기 배터리 모듈에 전력을 저장하는 발전모드에서 상기 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 단계임을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  3. 제1항에서, 상기 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 단계는,
    상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00092
    )이 제한 전압을 초과하는 지를 모니터링 하는 단계;
    상기 모터의 속도가 0(zero)rpm을 초과하는 지를 모니터링 하는 단계; 및
    상기 스위치의 스위칭 상태가 오프(OFF) 상태인지를 모니터링 하는 단계;
    를 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  4. 제3항에서, 상기 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 단계는,
    상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00093
    )이 제한 전압을 초과하고, 상기 모터의 속도가 0 rpm을 초과하고, 상기 스위치의 스위칭 상태가 오프(OFF) 상태인 경우, 상기 과전압 보호 제어 개시를 결정하는 단계임을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  5. 제1항에서, 상기 목표 전압(
    Figure pat00094
    )은,
    상기 인버터 내의 DC-링크 전압을 안정화시기 위한 기준 전압임을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  6. 제1항에서, 상기 q축 전류(
    Figure pat00095
    )는,
    상기 모터의 토크를 제어하는 것이 아니라 상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00096
    )을 제어하는 목적으로 사용되기 위해, 상기 모터로부터 피드백됨을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  7. 제1항에서, 상기 d축 전류(
    Figure pat00097
    )는,
    상기 인버터의 DC-링크 전압이 상기 목표 전압(
    Figure pat00098
    )을 초과하는 경우, 상기 DC-링크 전압을 낮추고, 모터 및 엔진이 고속 회전 시 모터(110)로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하기 위한 목적으로, 상기 모터로부터 피드백됨을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 방법.
  8. 엔진과 모터의 조합으로 주행하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치에 있어서,
    상기 인버터의 DC-링크 전압(
    Figure pat00099
    ), 상기 모터의 속도 및 배터리 모듈과 상기 인버터를 전기적으로 연결하는 스위치의 스위칭 상태를 모니터링 하여, 상기 인버터를 과전압으로부터 보호하는 과전압 보호 제어 개시를 판정하는 제어 개시 판정부;
    상기 과전압 보호 제어 개시가 결정되면, 목표 전압(
    Figure pat00100
    )과 상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00101
    )에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전류 지령치(
    Figure pat00102
    )를 계산하는 제1 비례적분 제어기;
    상기 q축 전류 지령치(
    Figure pat00103
    )와 상기 모터로부터 피드백된 q축 전류(
    Figure pat00104
    )에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, q축 전압 지령치(
    Figure pat00105
    )를 계산하는 제2 비례적분 제어기;
    상기 모터의 현재 속도(ω)에 맵핑되는 d축 전류 지령치(
    Figure pat00106
    )를 출력하는 전류맵;
    상기 d축 전류 지령치(
    Figure pat00107
    )와 상기 모터로부터 피드백된 d축 전류(
    Figure pat00108
    )에 대해 비례 적분 제어를 수행하여, d축 전압 지령치(
    Figure pat00109
    )를 계산하는 제3 비례적분 제어기; 및
    상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00110
    )을 낮추고, 상기 모터로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하도록 상기 q축 전압 지령치(
    Figure pat00111
    )와 상기 d축 전압 지령치(
    Figure pat00112
    )에 응답하여, 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위치 제어기;
    를 포함하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치.
  9. 제8항에서, 상기 제어 개시 판정부는,
    상기 하이브리드 차량이 엔진의 출력을 이용하여 상기 배터리 모듈에 전력을 저장하는 발전모드에서 상기 과전압 보호 제어 개시를 판정함을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치.
  10. 제9항에서, 상기 제어 개시 판정부는,
    상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00113
    )이 제한 전압을 초과하고, 상기 모터의 속도가 0 rpm을 초과하고, 상기 스위치의 스위칭 상태가 오프(OFF) 상태인 경우, 상기 과전압 보호 제어 개시를 결정함을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치.
  11. 제8항에서, 상기 제2 비례적분 제어기는,
    상기 모터의 토크를 제어하는 것이 아니라 상기 DC-링크 전압(
    Figure pat00114
    )을 제어하는 목적으로 상기 모터로부터 상기 q축 전류(
    Figure pat00115
    )를 피드백 받음을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치.
  12. 제8항에서, 상기 제2 비례적분 제어기는,
    상기 인버터의 DC-링크 전압이 상기 목표 전압(
    Figure pat00116
    )을 초과하는 경우, 상기 DC-링크 전압을 낮추고, 모터 및 엔진이 고속 회전 시 모터로부터 발생하는 역기전력 전압을 억제하는 목적으로, 상기 모터로부터 상기 d축 전류(
    Figure pat00117
    )를 피드백 받음을 특징으로 하는 하이브리드 차량 내의 인버터를 과전압으로부터 보호하는 장치.
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