KR20210033600A - 차량용 모터 구동 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

차량용 모터 구동 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차량용 모터 구동 제어 시스템은 배터리; 복수의 전력변환 소자를 포함하는 레그를 복수 개 포함하고, 각 레그는 모터의 각 상과 연결되며, 각 레그의 양단은 상기 배터리와 연결된 인버터부; 및 상기 전력변환 소자들의 온/오프를 제어함으로써 상기 배터리, 상기 복수의 전력변환 소자 및 상기 모터 간 폐루프가 형성되도록 하여 상기 배터리 양단 전압을 산출하며, 산출된 배터리 전압에 기반하여 상기 모터의 구동 여부를 제어하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.

Description

차량용 모터 구동 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING MOTOR OF VEHICLE}
본 발명은 차량용 모터 구동 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 전압을 측정하기 위한 아날로그 회로 없이 배터리의 양단 전압을 산출하고 산출된 전압 값에 기반하여 모터의 구동 여부를 제어하는 차량용 모터 구동 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기차를 포함한 친환경 차량에는 차량을 구동하기 위한 모터가 포함되는데, 이때 모터를 구동하기 위해서 배터리로부터 인가된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시키는 인버터가 포함된다.
도 1을 참조하면 종래의 경우, 전류 피드백 제어를 통해 3상 모터를 제어하는 인버터에서는 배터리의 전압 측정 아날로그 회로를 구성하여 배터리의 양단 전압을 측정하였다. 아울러, 측정된 배터리의 양단 전압이 정상인 경우에만 모터가 구동되도록 하였고, 과전압 또는 저전압인 경우에는 과전압 또는 저전압 보호 알고리즘 등에 따라 모터가 구동되도록 하였다.
하지만, 종래의 경우 배터리의 전압을 측정하기 위한 별도의 아날로그 회로를 필요로 하였다. 고전압 시스템에서는 제어전원과 구동전원의 절연을 위해 아날로그 회로 또한 절연방식으로 구축되어야 하는데 이때 사용되는 절연형 IC는 비교적 고가의 제품으로 제조 단가를 상승시키는 요인이 된다. 다시 말해, 종래에는 배터리의 전압을 측정하기 위한 별도의 절연형 아날로그 회로로 인해 전체적인 제조 단가가 상승된다는 단점이 있었다.
JP 2011-234598
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 배터리의 전압을 측정하는 아날로그 회로 없이 배터리의 전압을 산출하고 산출된 전압 값에 기반하여 모터의 구동 여부를 제어할 수 있는 차량용 모터 구동 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 모터 구동 제어 시스템은 배터리; 복수의 전력변환 소자를 포함하는 레그를 복수 개 포함하고, 각 레그는 모터의 각 상과 연결되며, 각 레그의 양단은 상기 배터리와 연결된 인버터부; 및 상기 전력변환 소자들의 온/오프를 제어함으로써 상기 배터리, 상기 복수의 전력변환 소자 및 상기 모터 간 폐루프가 형성되도록 하여 상기 배터리 양단 전압을 산출하며, 산출된 배터리 전압에 기반하여 상기 모터의 구동 여부를 제어하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
상기 모터의 각 상의 전류를 측정하는 전류 센서를 더 포함하며,
상기 컨트롤러는, 상기 전류 센서에서 측정된 상 전류, 상기 전력변환 소자의 기 설정된 게이트 전압, 상기 모터의 각 상의 저항 및 상기 전력변환 소자를 온시키는 듀티 값에 기반하여 상기 배터리의 양단 전압을 산출할 수 있다.
상기 컨트롤러는 하기의 수학식에 기반하여 상기 배터리 양단 전압을 산출할 수 있다.
[수학식]
VDC = {(2×RS×iPhase) + (2×VGate)} ×1/D
여기서, VDC: 배터리 양단 전압, RS: 모터의 각 상의 저항값, VGATE : 전력변환 소자에 전류가 흐름에 따라 강하되는 게이트 전압, IPhase : 측정된 상 전류값, D : 한 주기에 따른 전력변환 소자의 온 듀티 값을 의미한다.
상기 인버터부는, 제1 레그, 제2레그 및 제3 레그를 포함하며,
상기 제1 레그는 상측에 위치한 제1 전력변환 소자 및 하측에 위치한 제2 전력변환 소자를 포함하고,
상기 제2 레그는 상측에 위치한 제3 전력변환 소자 및 하측에 위치한 제4 전력변환 소자를 포함하고,
상기 제3 레그는 상측에 위치한 제5 전력변환 소자 및 하측에 위치한 제6 전력변환 소자를 포함하며,
상기 제1 레그는 상기 모터의 U상에 연결되고, 상기 제2 레그는 상기 모터의 V상에 연결되며, 상기 제3 레그는 상기 모터의 W상에 연결될 수 있다.
상기 컨트롤러는 모터의 다른 상에 연결된 전력변환 소자들 중 서로 반대 방향에 위치한 전력변환 소자들을 온시킴으로써, 상기 배터리, 상기 복수의 전력변환 소자 및 상기 모터 간 폐루프가 형성되도록 할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 모터의 U상에 연결된 제1 전력변환 소자 및 상기 모터의 V상에 연결된 제4 전력변환 소자를 온시킴으로써, 상기 배터리, 상기 제1 전력변환 소자, 상기 모터의 U상, 상기 모터의 V상 및 상기 제4 전력변환 소자 간 폐루프가 형성되도록 할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 복수의 전력변환 소자를 온 시킬 시, 상기 전력변환 소자가 동시에 동일한 듀티비로 온되도록 할 수 있다.
상기 컨트롤러는 기 설정된 횟수만큼 상기 배터리 양단의 전압을 반복하여 산출하고, 산출된 전압 값의 평균 값을 산출하며 산출된 평균 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 이상유무를 판단하여 상기 모터의 구동 여부를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 배터리의 양단 전압을 산출하기 전에 상기 모터의 구동 여부를 확인하고, 상기 모터가 정지된 상태인 경우에만 상기 배터리의 양단 전압을 산출할 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 차량용 모터 구동 제어 방법은 배터리의 양단 전압 값을 요청받는 단계; 모터의 구동 여부를 확인하는 단계; 모터의 정지상태가 확인되면 전력변환 소자들의 온/오프를 제어함으로써 배터리, 복수의 전력변환 소자 및 모터 간 폐루프가 형성되도록 하여 상기 배터리의 양단 전압을 산출하는 단계; 기 설정된 횟수만큼 상기 배터리 양단의 전압을 반복하여 산출하고 산출된 전압 값의 평균 값을 산출하는 단계; 및 산출된 평균 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 이상유무를 판단하여 상기 모터의 구동 여부를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 배터리의 전압을 측정하는 아날로그 회로 없이 배터리의 전압을 산출하고 산출된 전압 값에 기반하여 모터의 구동 여부를 제어함으로써, 종래의 시스템과 동일한 안정성을 확보하는 동시에 전체적인 제조 단가를 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 모터 구동 제어 시스템에서 전압 측정 아날로그 회로를 통해 배터리의 전압을 측정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 시스템은 배터리(100), 인버터부(200), 모터(300) 및 컨트롤러(400)를 포함하며, 전류 센서(500)를 더 포함할 수 있다.
배터리(100)는 친환경 차량에 탑재된 모터(300)를 구동시키기 위한 에너지를 제공하는 역할을 하며, 실시예에 따라 배터리(100)는 고전압 배터리일 수 있다. 도면에 상세히 도시하지는 않았으나 배터리(100)는 외부의 전원 공급부(미도시)로부터 전원을 입력받아 충전될 수 있다. 실시예에 따라, 전원 공급부는 배터리(100)를 충전시키기 위한 전원을 제공하는 충전소의 전기 자동차 충전설비(Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE)일 수 있다.
인버터부(200)는 복수의 전력변환 소자를 포함하는 레그를 복수 개 포함하고, 각 레그는 모터(300)의 각 상과 연결되며, 각 레그의 양단은 배터리와 연결되어 전원을 공급받는다. 이러한, 배터리(100)의 양단과 연결된 인버터부(200)는 배터리(100)로부터 공급된 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(300)가 구동되는데 필요한 전원을 공급해줄 수 있다. 인버터부(200)에서 직류전원을 교류전원으로 변환하는 것은 기 공지된 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터부(200)는 제1 레그(210), 제2 레그(220) 및 제3 레그(230)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 레그(210)는 상측에 위치한 제1 전력변환 소자(211) 및 하측에 위치한 제2 전력변환 소자(212)를 포함하고, 제2 레그(220)는 상측에 위치한 제3 전력변환 소자(221) 및 하측에 위치한 제4 전력변환 소자(222)를 포함하며, 제3 레그(230)는 상측에 위치한 제5 전력변환 소자(231) 및 하측에 위치한 제6 전력변환 소자(232)를 포함할 수 있다.
아울러, 제1 레그(210)는 모터(300)의 U상에 연결되고, 제2 레그는(220)는 모터(300)의 V상에 연결되며, 제3 레그(230)는 모터(300)의 W상에 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명에서의 전력변환 소자는 MOSFET 또는 IGBT 등일 수 있으나 이는 일실시예일 뿐 이에 한정되지는 않는다.
컨트롤러(400)는 인버터부(200)에 포함된 전력변환 소자들의 온/오프를 제어함으로써 배터리(100), 복수의 전력변환 소자 및 모터(300) 간 폐루프가 형성되도록 하여 배터리(100) 양단 전압을 산출하며, 산출된 배터리 전압에 기반하여 모터(300)의 구동 여부를 제어할 수 있다.
전류 센서(500)는 모터(300)의 각 상의 전류를 측정하는 역할을 하며, 측정된 각 상의 전류 값은 컨트롤러(400)에 전달되며, 컨트롤러(400)는 측정된 각 상의 전류 값에 기반하여 배터리(100)의 양단 전압을 산출할 수 있다.
구체적으로, 컨트롤러(400) 전류 센서(500)에서 측정된 상 전류, 전력변환 소자의 게이트 전압, 모터(300)의 각 상의 저항 및 전력변환 소자를 온시키는 듀티 값에 기반하여 배터리(100)의 양단 전압을 산출할 수 있다. 여기서, 전력변환 소자의 게이트 전압이란 전력변환 소자에 전류가 흐름에 따라 강하되는 게이트 전압으로 실시예에 따라 0.3V 내지 1V일 수 있다. 하지만 이는 실시예일 뿐 각 전력변환 소자의 사양에 따라 해당 전압은 달라질 수 있다.
보다 구체적으로, 컨트롤러는 하기의 수학식 1에 기반하여 배터리 양단 전압을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
VDC = {(2×RS×iPhase) + (2×VGate)} ×1/D
여기서, VDC: 배터리 양단 전압, RS: 모터의 각 상의 저항값, VGATE : 전력변환 소자에 전류가 흐름에 따라 강하되는 게이트 전압, IPhase : 측정된 상 전류값, D : 한 주기에 따른 전력변환 소자의 온 듀티 값을 의미한다.
도 2 및 상기 수학식에 기반하여 컨트롤러(400)에서 배터리(100)의 양단 전압이 산출되는 것에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 컨트롤러(400)는 배터리(100)의 양단 전압을 산출하기 전에 모터(300)의 구동 여부를 확인하여 모터(300)가 정지된 상태인 경우에만 배터리(100)의 양단 전압을 산출할 수 있다. 여기서, 모터(300)가 정지된 상태는 모터의 회전자가 회전하고 있는 않은 상태로 모터의 회전속도가 0인 상태로 모터의 회전을 검출하는 센서 등을 통해 모터의 회전 여부를 검출할 수 있고, 검출된 결과가 컨트롤러(400)에 전달될 수 있다.
컨트롤러(400)는 모터(300)가 정지상태인 것을 확인하면, 모터(300)의 다른 상에 연결된 각 전력변환 소자들 중 서로 반대 방향에 위치한 전력변환 소자들을 온시킴으로써, 배터리(100), 복수의 전력변환 소자, 모터(300) 간 폐루프가 형성되도록 할 수 있다.
실시예에 따라 도 2와 같이 컨트롤러(400)는 모터(300)의 U상에 연결된 상측에 위치한 제1 전력변환 소자(211) 및 모터(300)의 V상에 연결되고 하측에 위치한 제4 전력변환 소자(222)를 온시킴으로써, 배터리(100), 제1 전력변환 소자(211), 모터의 U상, 모터의 V상 및 제4 전력변환 소자(222) 간 폐루프가 형성되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이 폐루프가 형성된 경우, 컨트롤러(400)는 하기의 수학식 1에 전류 센서(500)에서 측정된 U상 및 V상 전류, 전력변환 소자의 온 듀티 값 및 기 저장된 전력변환 소자의 게이트 전압과 모터의 U상 저항 값 및 V상 저항 값을 대입하여 배터리(100)의 양단 전압을 산출할 수 있다. 여기서, 전류의 패스가 직렬이므로 U상 및 V상의 전류는 동일할 수 있다.
[수학식 1]
VDC = {(2×RS×iPhase) + (2×VGate)} ×1/D
여기서, VDC: 배터리 양단 전압, RS: 모터의 각 상의 저항값, VGATE : 전력변환 소자에 전류가 흐름에 따라 강하되는 게이트 전압, IPhase : 측정된 상 전류값, D : 한 주기에 따른 전력변환 소자의 온 듀티 값을 의미한다.
아울러, 컨트롤러(400)는 PWM 신호를 생성할 수 있는 PWM 신호 생성부를 포함할 수 있으며, 상술한 바와 같이 복수의 전력변환 소자를 온 시킬 시, 전력변환 소자가 동시에 동일한 듀티비로 온되도록 PWM 신호를 생성하여 해당 전력변환 소자에 입력시킬 수 있다.
한편, 컨트롤러(400)는 상술한 방식에 따라 배터리(100)의 양단 전압을 기 설정된 횟수만큼 배터리 양단의 전압을 반복하여 산출하고, 산출된 전압 값의 평균 값을 산출하여 산출된 평균 전압 값에 기반하여 배터리의 이상유무를 판단하여 모터(300)의 구동 여부를 제어할 수 있다. 여기서, 기 설정된 횟수는 전력변환 소자의 내구성과 산출된 평균 전압 제어 값 데이터의 신뢰도에 기반하여 적절하게 변경 가능하다. 만약, 산출된 평균 전압 값이 기 설정된 정상 범위 내에 있는 경우 컨트롤러(400)는 모터(300)가 구동되도록 할 수 있다. 반대로, 산출된 평균 전압 값이 기 설정된 정상 범위를 벗어나 과전압 또는 저전압인 경우 컨트롤러(400)는 모터(300)가 구동되지 않도록 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 방법의 흐름도이다. 도 3을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 방법은 배터리의 양단 전압 값을 요청받는 단계(S100), 모터의 구동 여부를 확인하는 단계(S200), 모터의 정지상태가 확인되면 전력변환 소자들의 온/오프를 제어함으로써 배터리, 복수의 전력변환 소자 및 모터 간 폐루프가 형성되도록 하여 상기 배터리의 양단 전압을 산출하는 단계(S300), 기 설정된 횟수만큼 상기 배터리 양단의 전압을 반복하여 산출하고 산출된 전압 값의 평균 값을 산출하는 단계(S400) 및 산출된 평균 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 이상유무를 판단하여 상기 모터의 구동 여부를 제어하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 방법의 각 단계에서의 세부적인 기술적 특징인 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 모터 구동 제어 시스템에서의 구성의 기술적 특징과 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 배터리의 전압을 측정하는 아날로그 회로 없이 배터리의 전압을 산출하고 산출된 전압 값에 기반하여 모터의 구동 여부를 제어함으로써, 종래의 시스템과 동일한 안정성을 확보하는 동시에 전체적인 제조 단가를 절감할 수 있다.
100: 배터리 200: 인버터부
210: 제1 레그 211: 제1 전력변환 소자
212: 제2 전력변환 소자 220: 제2 레그
221: 제3 전력변환 소자 222: 제4 전력변환 소자
230: 제3 레그 231: 제5 전력변환 소자
232: 제6 전력변환 소자
300: 모터 400: 컨트롤러
500: 전류 센서 600: 전압 측정 회로

Claims (10)

  1. 배터리;
    복수의 전력변환 소자를 포함하는 레그를 복수 개 포함하고, 각 레그는 모터의 각 상과 연결되며, 각 레그의 양단은 상기 배터리와 연결된 인버터부; 및
    상기 전력변환 소자들의 온/오프를 제어함으로써 상기 배터리, 상기 복수의 전력변환 소자 및 상기 모터 간 폐루프가 형성되도록 하여 상기 배터리 양단 전압을 산출하며, 산출된 배터리 전압에 기반하여 상기 모터의 구동 여부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 각 상의 전류를 측정하는 전류 센서를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는, 상기 전류 센서에서 측정된 상 전류, 상기 전력변환 소자의 기 설정된 게이트 전압, 상기 모터의 각 상의 저항 및 상기 전력변환 소자를 온시키는 듀티 값에 기반하여 상기 배터리의 양단 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤러는 하기의 수학식에 기반하여 상기 배터리 양단 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
    [수학식]
    VDC = {(2×RS×iPhase) + (2×VGate)} ×1/D
    여기서, VDC: 배터리 양단 전압, RS: 모터의 각 상의 저항값, VGATE : 전력변환 소자에 전류가 흐름에 따라 강하되는 게이트 전압, IPhase : 측정된 상 전류값, D : 한 주기에 따른 전력변환 소자의 온 듀티 값을 의미한다.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터부는, 제1 레그, 제2레그 및 제3 레그를 포함하며,
    상기 제1 레그는 상측에 위치한 제1 전력변환 소자 및 하측에 위치한 제2 전력변환 소자를 포함하고,
    상기 제2 레그는 상측에 위치한 제3 전력변환 소자 및 하측에 위치한 제4 전력변환 소자를 포함하고,
    상기 제3 레그는 상측에 위치한 제5 전력변환 소자 및 하측에 위치한 제6 전력변환 소자를 포함하며,
    상기 제1 레그는 상기 모터의 U상에 연결되고, 상기 제2 레그는 상기 모터의 V상에 연결되며, 상기 제3 레그는 상기 모터의 W상에 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 컨트롤러는 모터의 다른 상에 연결된 전력변환 소자들 중 서로 반대 방향에 위치한 전력변환 소자들을 온시킴으로써, 상기 배터리, 상기 복수의 전력변환 소자 및 상기 모터 간 폐루프가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 모터의 U상에 연결된 제1 전력변환 소자 및 상기 모터의 V상에 연결된 제4 전력변환 소자를 온시킴으로써, 상기 배터리, 상기 제1 전력변환 소자, 상기 모터의 U상, 상기 모터의 V상 및 상기 제4 전력변환 소자 간 폐루프가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 전력변환 소자를 온 시킬 시, 상기 전력변환 소자가 동시에 동일한 듀티비로 온되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는 기 설정된 횟수만큼 상기 배터리 양단의 전압을 반복하여 산출하고, 산출된 전압 값의 평균 값을 산출하며 산출된 평균 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 이상유무를 판단하여 상기 모터의 구동 여부를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 배터리의 양단 전압을 산출하기 전에 상기 모터의 구동 여부를 확인하고, 상기 모터가 정지된 상태인 경우에만 상기 배터리의 양단 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 제어 시스템.
  10. 배터리의 양단 전압 값을 요청받는 단계;
    모터의 구동 여부를 확인하는 단계;
    모터의 정지상태가 확인되면 전력변환 소자들의 온/오프를 제어함으로써 배터리, 복수의 전력변환 소자 및 모터 간 폐루프가 형성되도록 하여 상기 배터리의 양단 전압을 산출하는 단계;
    기 설정된 횟수만큼 상기 배터리 양단의 전압을 반복하여 산출하고 산출된 전압 값의 평균 값을 산출하는 단계; 및
    산출된 평균 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 이상유무를 판단하여 상기 모터의 구동 여부를 제어하는 단계;를 포함하는 차량용 모터 구동 제어 방법.
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