KR102803778B1

KR102803778B1 - Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템

Info

Publication number: KR102803778B1
Application number: KR1020190047387A
Authority: KR
Inventors: 신호준; 한남구; 이상유; 곽헌영; 박홍극
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2025-05-07
Anticipated expiration: 2039-04-23
Also published as: US20200341061A1; KR20200124362A; CN111830402A; CN111830402B; DE102019132333A1; US10948541B2

Abstract

전력 변환 회로 내 스위칭 소자의 상태를 제어함으로써 Y-커패시터에 각각 서로 다른 크기의 전압이 인가되게 하여, 직류 링크단에 공통으로 연결된 복수의 Y-커패시터와 샤시 접지를 연결하는 Y-커패시터 차단 스위치의 진단을 가능하게 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템이 개시된다.

Description

Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템{SYSTEM OF CONTROLLING BATTERY CHARGING OR DISCHARGING}

본 발명은 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 한 쌍의 Y-커패시터에 각각 서로 다른 크기의 전압이 인가되게 함으로써 한 쌍의 Y-커패시터의 연결 노드를 접지와 선택적으로 연결하는 스위칭 수단의 고장을 진단 가능하게 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 관한 것이다.

최근, 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차에 마련된 탑재형 충전기(On-Board Charger)는 부피와 가격 비중이 높은 변압기를 제거한 비절연형으로 구현되고 있는 추세이다. 이러한 비절연형 충전기는 원가 절감 측면에서 큰 장점을 가지지만, 전기적 절연을 담당해주던 변압기가 제거되었기 때문에 계통과 차량 사이에 누설전류가 발생할 수 있다.

안전 문제로 인해 일정량 이상의 누설전류가 발생하면 충전을 중단하도록 외부 충전 설비가 설계되고 있다. 또한, 차량 내에서는 누설전류를 감소시키기 위한 방법 중 하나로 차량 내 전력 시스템 내 각종 전기 부품에 마련되는 Y-커패시터를 접지와 전기적으로 분리함으로써 누설 등가 임피던스를 감소시켜 누설 전류를 감소시키는 방안이 고려될 수 있다.

Y-커패시터를 접지와 전기적으로 분리하기 위해서는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결/차단을 하기 위한 스위칭 수단이 추가로 필요하다. 이와 같이 스위칭 수단이 추가로 구비되는 경우, 스위칭 수단의 정상 동작 여부를 진단하기 위한 추가적인 알고리즘도 필요하게 된다.

통상, 스위칭 수단의 진단은 스위칭 수단의 개방/단락을 위한 제어신호를 스위칭 수단에 제공한 후 스위칭 수단의 양단 전압의 차를 비교하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 수단을 개방하기 위한 제어신호를 제공한 후 스위칭 수단의 양단 전압이 동일하면 스위칭 수단에 융착이 발생한 것으로 진단할 수 있으며, 스위칭 수단을 단락 시키기 위한 제어신호를 제공한 후 스위칭 수단의 양단 전압이 동일하지 않으면 스위칭 수단에 개방 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다.

그러나, 차량의 직류 링크 단에 공통으로 연결된 다수의 전기 부품에 각각 한 쌍의 Y-커패시터가 마련되는 경우, 스위칭 수단의 양단이 각 전기 부품에 마련된 한 쌍의 Y-커패시터의 연결 노드에 연결될 수 있으므로 스위칭 수단이 개방되는 경우나 단락되는 경우에도 스위칭 수단의 양단에는 항상 직류 링크 전압을 분압한 전압이 인가될 수 있다. 따라서, 스위칭 수단이 개방되거나 연결되더라도 항상 스위칭 수단의 양단 전압은 일정하기 때문에 전술한 것과 같은 스위칭 수단의 진단이 불가하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2012-0079261 A

이에 본 발명은, 한 쌍의 Y-커패시터에 각각 서로 다른 크기의 전압이 인가되게 함으로써 한 쌍의 Y-커패시터의 연결 노드를 접지와 선택적으로 연결하는 스위칭 수단의 고장을 진단 가능하게 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

직류 전압이 인가되는 직류 링크단 사이에 상호 직렬 연결된 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하는 제1 Y-커패시터 그룹;

상기 직류 링크단 사이에 상호 직렬 연결된 제3 커패시터 및 제4 커패시터를 포함하는 제2 Y-커패시터 그룹;

상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고 상기 제3 커패시터와 상기 제4 커패시터의 연결 노드에 타단이 연결되며, 상기 일단과 타단 중 하나는 접지와 연결되는 스위치;

상기 직류 링크단에 연결되며, 복수의 스위칭 소자를 포함하고 상기 복수의 스위칭 소자의 온/오프에 의해 상기 직류 링크단의 직류 전압을 형성하거나 상기 직류 링크단의 직류 전압을 변환하는 전력 변환 회로; 및

상기 스위치의 진단 모드 시, 상기 전력 변환 회로 내 상기 복수의 스위칭 소자의 상태를 제어하여 상기 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성한 후 상기 스위치의 상태를 제어하여 상기 스위치의 고장 여부를 진단하는 컨트롤러;

를 포함하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 변환 회로는 서로 연결된 두 개의 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 레그를 갖는 브릿지 회로를 포함하며, 상기 컨트롤러는, 상기 스위치의 진단 모드 시, 상기 브릿지 회로의 각 레그에 포함된 스위칭 소자 중 상부 스위칭 소자와 하부 스위칭 소자를 서로 다른 상태로 제어하여 상기 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성한 후 상기 스위치의 상태를 제어하여 상기 스위치의 고장 여부를 진단할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 변환 회로는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 링크단에 연결된 배터리의 충전 전력으로 제공하는 비절연 충전기이며, 상기 컨트롤러는 상기 비절연 충전기에 포함된 복수의 스위칭 소자의 상태를 제어하여 상기 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 비절연 충전기는, 서로 직렬 연결되어 하나의 레그를 구성하는 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자와, 다른 하나의 레그를 구성하는 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드로 상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 일 단자가 연결되고, 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드로 외부의 교류 전력이 입력되는 입력단의 타 단자가 연결되며, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자가 서로 연결된 노드와 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자가 서로 연결된 노드 사이에 상기 직류 전압이 인가될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 양 단자 사이에 서로 직렬 연결되고 서로 연결된 노드가 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터의 연결 노드에 연결된 제5 커패시터 및 제6 커패시터와, 상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 일 단자와 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드 사이에 연결된 제1 인덕터와, 상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 일 단자와 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드 사이에 연결된 제2 인덕터를 갖는 필터; 및 상기 직류 링크단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는, 상기 스위치의 진단 모드 시 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하거나, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하고 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 변환 회로는, 상기 직류 전압을 복수의 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 모터의 각 상에 제공하거나 모터의 중성점에 인가되는 직류 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 링크단에 인가하는 인버터이며, 상기 컨트롤러는 상기 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자의 상태를 제어하여 상기 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 인버터는, 상기 직류 링크단 사이에서 서로 직렬 연결되어 하나의 레그를 구성하는 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자와, 상기 직류 링크단 사이에서 서로 직렬 연결되어 다른 하나의 레그를 구성하는 제7 스위칭 소자 및 제8 스위칭 소자와, 상기 직류 링크단 사이에서 서로 직렬 연결되어 또 다른 하나의 레그를 구성하는 제9 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제5 스위칭 소자, 제7 스위칭 소자 및 제9 스위칭 소자의 일단은 상기 직류 링크단의 일 단자에 연결되고 상기 제6 스위칭 소자, 제8 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자의 일단은 상기 직류 링크단의 타 단자에 연결되며, 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 모터의 한 상에 연결되고 상기 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 모터의 다른 상에 연결되며 상기 제9 스위칭 소자와 제10 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 모터의 또 다른 상에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 모터의 중성점에 외부의 직류 전력에 의한 직류 전압을 인가하기 위한 중성점 커패시터 및 상기 중성점 커패시터의 양단에 서로 직렬 연결되며 서로 직렬 연결된 노드가 상기 제3 커패시터와 제4 커패시터의 연결 노드에 연결된 제7 커패시터 및 제8 커패시터를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는, 상기 스위치의 진단 모드 시 상기 제5 스위칭 소자, 제7 스위칭 소자 및 제9 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 상기 제6 스위칭 소자, 제8 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하거나, 상기 제5 스위칭 소자, 제7 스위칭 소자 및 제9 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하고 상기 제6 스위칭 소자, 제8 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자를 단락 상태로 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러, 상기 스위치의 진단 모드 시, 상기 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성한 후, 상기 스위치를 온 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 상기 스위치에 제공한 상태에서 상기 스위치의 양단 전압이 서로 다른 경우 상기 스위치에 개방 고장이 발생한 것으로 진단하고, 상기 스위치를 오프 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 상기 스위치에 제공한 후 상기 스위치의 양 단 전압이 서로 동일한 경우 상기 스위치에 융착 고장이 발생한 것으로 진단할 수 있다.

상기 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 따르면, 차량의 고전압 시스템에 적용되는 여러 부품에 Y-커패시터와 접지와의 연결을 형성/차단하기 위한 스위치를 별도의 하드웨어 추가 없이 간단하게 그 고장 여부를 진단할 수 있고, 스위치의 고장에 따라 발생하는 다른 부품에 오작동 등의 문제에 의한 오진단 및 오정비를 사전에 예방할 수 있게 된다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 적용되는 비절연 OBC의 일례를 상세하게 도시한 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 비절연 OBC의 스위칭 소자 중 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 개방 상태로 제어한 경우 형성된 회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 적용되는 인버터의 일례를 상세하게 도시한 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 인버터의 스위칭 소자 중 각 레그의 상부 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 각 레그의 하부 스위칭 소자를 개방 상태로 제어한 경우 형성된 회로를 도시한 회로도이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템의 블록 구성도이다. 특히, 도 1은 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차에 적용되는 탑재형 충전기와 인버터와 모터 및 배터리를 포함하여 차량의 구동력을 생성하는 고전압 전기 계통에 적용되는 예를 도시한다.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템은, 직류 전압(Vdc)이 인가되는 직류 링크단 사이에 상호 직렬 연결된 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)를 포함하는 제1 Y-커패시터 그룹(11)과, 직류 링크단 사이에 상호 직렬 연결된 제3 커패시터(C3) 및 제4 커패시터(C4)를 포함하는 제2 Y-커패시터 그룹(12)과, 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 연결 노드에 일단이 연결되고 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4)의 연결 노드에 타단이 연결되며, 일단과 타단 중 하나는 접지와 연결되는 스위치(13)와, 직류 링크단에 연결되며, 복수의 스위칭 소자를 포함하고 복수의 스위칭 소자의 온/오프에 의해 직류 링크단의 직류 전압(Vdc)을 형성하거나 직류 링크단의 직류 전압(Vdc)을 변환하는 전력 변환 회로(141, 142) 및 전력 변환 회로(141, 142) 내 복수의 스위칭 소자의 상태를 제어하여 스위치(13)가 개방 상태일 때 스위치(13)의 양단 전압을 서로 다르게 형성한 후 스위치(13)의 고장 여부를 진단하는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 서로 직렬 연결된 한 쌍의 Y-커패시터 그룹(11, 12)은 직류 전압(Vdc)이 형성되는 직류 링크단에 공통으로 연결될 수 있다. 직류 링크단은 직류 링크 커패시터(Cdc)에 의해 형성되며 직류 링크 커패시터(Cdc)의 양단 전압이 직류 링크 전압(Vdc)가 된다. 높은 전위가 형성된 직류 링크 커패시터(Cdc)의 일단을 직류 링크단의 양(+)극단이 되고 낮은 전위가 형성된 직류 링크 커패시터(Cdc)의 일단을 직류 링크단의 음(-)극단이라 한다. 도 1의 예에서, 제1 Y-커패시터 그룹(11)은 비절연 탑재형 충전기(OBC)(141)의 출력단에서 출력되는 전력의 고주파 노이즈 성분을 제거하기 위해 마련될 수 있으며, 제2 Y-커패시터 그룹(12)은 인버터(142)로 입력되는 전력의 고주파 노이즈 성분을 제거하기 위해 마련된 것으로 두 Y-커패시터 그룹(11, 12)은 직류 링크단의 양극단과 음극단 사이에 연결될 수 있다.

직류 링크 전압(Vdc)는 직류 링크단에 연결된 배터리(10)에 의해 형성될 수 있다. 배터리(10)의 단자에도 고주파 노이즈 성분을 제거하기 위한 Y-커패시터 그룹(101)이 연결될 수 있다.

본 발명의 여러 실시형태에 대한 설명에서, Y-커패시터 그룹이란 서로 직렬 연결된 한 쌍의 커패시터를 포함하며 한 쌍의 커패시터가 서로 연결되는 노드는 차량의 샤시와 같은 접지수단과 연결되는 회로 구조를 의미한다. Y-커패시터 그룹 중 일부는 항시 접지수단에 연결될 수 있으며, 다른 일부는 스위치(13)에 의해 필요에 따라 접지수단에 연결되거나 접지수단과 절연을 형성할 수 있다.

스위치(13)는 Y-커패시터 그룹 중 적어도 하나에 포함되는 한 쌍의 커패시터 사이의 연결 노드와 접지수단 사이의 전기적 연결 상태를 결정하기 위해 마련된다. 예를 들어, 도 1의 예에서는 제2 Y-커패시터 그룹(12)의 두 커패시터(C3, C4)의 연결 노드와 접지 수단 사이에 스위치(13)가 연결될 수 있다. 물론 제1 Y-커패시터 그룹(11)의 두 커패시터(C1, C2)의 연결 노드는 항시 접지 수단에 연결되므로 스위치(13)의 양단은 두 Y-커패시터 그룹 내 한 쌍의 커패시터들 사이의 연결 노드에 각각 연결될 수 있다.

본 발명의 여러 실시형태에서, 제1 Y-커패시터 그룹(11) 또는 제2 Y-커피시터 그룹(11)은 도 1에 나타나는 것과 같이 직류 링크 커패시터(Cdc)에 의해 형성되는 직류 링크단에 공통으로 연결되며, 각 Y-커패시터 그룹(11, 12)를 구성하는 커패시터들은 서로 동일한 값을 갖게 된다. 따라서, 비절연 OBC(141)나 인버터(142)의 동작이 이루어지지 않고 스위치(13)를 개방한 상태인 경우 스위치(13)의 양단의 전압은 직류 전압(Vdc)의 1/2로 동일하게 된다. 따라서, 이 상태에서는 스위치(13)를 개방/연결하여 스위치 양단 전압의 변화를 통해 스위치의 고장 여부를 진단하는 것이 불가능하다.

따라서, 본 발명의 여러 실시형태에서는, Y-커패시터와 샤시 접지 사이에 마련된 스위치(13)의 진단을 위해 Y-커패시터와 함께 직류 링크단에 연결된 전력 변환 회로들(예를 들어, 비절연 OBC(141) 또는 인버터(142)) 내의 스위칭 소자들의 상태를 제어하여 Y-커패시터에 인가되는 전압의 크기가 직류 링크단의 직류 전압(Vdc)의 1/2과는 다른 값이 되도록 한 후 스위치(13)의 진단을 실시하게 한다.

컨트롤러(100)는 스위치(13)의 진단을 위한 연산 및 판단을 수행하는 요소로서, 차량 내 마련되는 각종 마이컴의 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 스위치(13)의 진단 시 전력 변환 회로(141, 142) 내의 스위칭 소자의 온/오프를 제어하여 스위치(13)의 양단에 인가되는 전압이 서로 다른 값이 되도록 조정한 후 스위치(13)의 상태를 제어하는 제어신호를 스위치(13)로 제공하면서 스위치(13)의 고장 여부를 진단할 수 있다.

본 발명의 여러 실시형태 중 비절연 OBC(141)를 제어함으로써 스위치(13)의 상태를 진단하는 기법에 대해 설명하기로 한다.

비절연 OBC(141)는 스위칭 소자를 포함하고 스위칭 소자의 온/오프 제어(펄스폭 변조 제어)를 통해 외부에서 인가되는 교류 전력을 변환하여 배터리(10)를 충전할 수 있는 직류 전력으로 출력하는 일종의 전력 변환 회로이다. 비절연 OBC(141)는 내부에 입출력단 사이의 절연을 위한 변압기를 사용하지 않는 장치로 당 기술분야에 알려진 다양한 형태의 토폴로지로 구현될 수 있다. 특히, 본 발명에 적용되는 비절연 OBC(141)는 복수의 스위칭 소자를 구비한 브릿지 회로를 가질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 적용되는 비절연 OBC의 일례를 상세하게 도시한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 적용되는 비절연 OBC(141)는 복수의 스위칭 소자(S1-S4)로 구성된 브릿지 회로로 구현될 수 있다.

더욱 구체적으로, 비절연 OBC(141)는 서로 직렬 연결되어 하나의 레그(L1)를 구성하는 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)와, 다른 하나의 레그(L2)를 구성하는 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)를 포함할 수 있다.

제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 연결 노드로 외부의 교류 전력이 입력되는 입력단의 일 단자가 연결될 수 있고, 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)의 연결 노드로 외부의 교류 전력이 입력되는 입력단의 타 단자가 연결될 수 있으며, 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)가 서로 연결된 노드와 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)가 서로 연결된 노드 사이에 직류 전압(Vdc)이 인가된다.

비절연 OBC(141)의 전단, 즉 외부의 교류 전력이 입력되는 입력단과 비절연 OBC(141) 사이에는 Y-커패시터(C5, C6)와 인덕터(L1, L2)를 포함하는 공통모드 필터(15)가 마련될 수 있으며, 비절연 OBC(141)의 출력단이 되는 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)가 서로 연결된 노드와 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)가 서로 연결된 노드 사이에는 제1 Y-커패시터 그룹(11)과 직류 링크단의 직류 전압(Vdc)를 형성하기 위한 직류 링크 커패시터(Cdc)가 연결될 수 있다. 여기에서 공통모드 필터(15)에 구비된 Y-커패시터(C5, C6)의 연결 노드와 제1 Y-커패시터 그룹(11)을 구성하는 커패시터(C1, C2)의 연결 노드는 샤시 접지에 공통으로 연결되므로 서로 전기적으로 연결된 상태이다.

스위치(13)의 진단이 개시되면, 컨트롤러(100)는 비절연 OBC(141)의 스위칭 소자 중 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)를 단락 상태로 제어하고 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)를 개방 상태로 제어하거나, 그 반대로 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)를 개방 상태로 제어하고 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)를 단락 상태로 제어한다. 즉, 각 레그(L1, L2)의 상부 스위칭 소자와 하부 스위칭 소자를 분리하여 서로 다른 상태가 되도록 제어한다.

도 3은 도 2에 도시된 비절연 OBC의 스위칭 소자 중 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 개방 상태로 제어한 경우 형성된 회로를 도시한 회로도이다.

도 3에 도시된 것과 같이, 컨트롤러(100)가 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)를 단락 상태로 제어하고 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)를 개방 상태로 제어하게 되면, 비절연 OBC(141) 전단의 공통모드 필터를 구성하는 커패시터 및 인덕터와의 연결을 형성함에 의해 제1 Y-커패시터 그룹(11)에 포함된 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)에 인가되는 전압이 서로 달라지게 된다.

한편, 제2 Y-커패시터 그룹(12)에 포함된 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4)에는 직류 링크단의 직류 전압(Vdc)가 그대로 인가되어 제4 커패시터(C4)의 전압은 직류 전압(Vdc)의 1/2이 된다.

스위치(13)의 일단에는 제2 커패시터(C2)의 전압이 인가되고 타단에는 제4 커패시터(C4)의 전압이 인가되므로 스위치(13)의 양단 전압은 서로 다른 값이 된다.

이와 같이, 컨트롤러(100)는 비절연 OBC(141) 내의 스위칭 소자(S1-S4)를 제어하여 제1 Y-커패시터 그룹(11)의 커패시터(C1, C2)에 인가되는 전압을 서로 다른 값이 되게 함으로써 스위치(13) 양단 전압이 서로 다른 값이 되게 조정한다. 이어, 컨트롤러(100)는 스위치(13)를 개방 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 스위치(13)로 제공한 후 스위치(13) 양단 전압을 측정하여 양단 전압이 서로 동일한 경우에는 스위치가 개방되지 못한 것으로 판단하여 스위치(13)가 융착된 고장이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 또한, 컨트롤러(100)는 스위치(13)을 단락 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 스위치(13)로 제공한 후 스위치(13) 양단 전압을 측정하여 양단 전압이 서로 다른 경우에는 스위치가 단락 되지 못한 것으로 판단하여 스위치(13)에 개방 고장이 발생한 것으로 진단할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 여러 실시형태 중 인버터(142)를 제어함으로써 스위치(13)의 상태를 진단하는 기법에 대해 설명하기로 한다.

인버터(142)는 스위칭 소자를 포함하고 스위칭 소자의 온/오프 제어(펄스폭 변조 제어)를 통해 직류 링크단의 직류 전력을 3상의 교류 전력으로 변환하여 모터(16)로 제공하는 전력 변환 회로이다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템에 적용되는 인버터의 일례를 상세하게 도시한 회로도이다.

도 4를 참조하면, 인버터(142)는 직류 링크단의 사이에 서로 직렬 연결된 두 개의 스위칭 소자를 포함하는 세 개의 레그(L3-L5)를 포함하며, 각 레그(L3-L5) 내의 스위칭 소자가 연결된 노드는 각각 모터(16)의 각 상에 연결될 수 있다. 즉, 레그(L3) 내의 두 스위칭 소자(S5, S6)의 연결 노드는 모터(16)의 한 상과 연결되고, 레그(L4) 내의 두 스위칭 소자(S7, S8)의 연결 노드는 모터(16)의 다른 한 상과 연결되며, 레그(L5) 내의 두 스위칭 소자(S9, S10)의 연결 노드는 모터(16)의 또 다른 한 상과 연결될 수 있다.

한편, 모터는 도 4에 도시된 것과 같이 중성점에 연결된 세 개의 인덕터(L3-L5)의 등가 회로로 표현될 수 있다. 특히, 모터(16)의 중성점으로 외부의 직류 전압(Vnp)을 인가 받아 모터(16)의 인덕터(L3-L4)와 인버터(142)의 스위칭 소자(S5-S10)를 이용하여 전압 변환한 후 직류 링크단으로 제공하여 배터리(10)를 충전하는 충전기로 인버터(142)를 제어할 수도 있다. 모터(16)의 중성점을 이용한 충전 시스템을 구현하기 위해서 모터(16)의 중성점에는 중성점의 직류 전압을 형성하는 커패시터(Ccp)와 커패시터(Ccp)의 양단에 서로 직렬 연결되는 한 쌍의 커패시터(C7, C8)로 이루어진 Y-커패시터가 연결될 수 있다.

스위치(13)의 진단이 개시되면, 컨트롤러(100)는 인버터(141)의 스위칭 소자 중 각 레그(L3-L5)의 상부 스위칭 소자(S5, S7, S9)를 단락 상태로 제어하고 각 레그(L3-L5)의 하부 스위칭 소자(S6, S8, S10)를 개방 상태로 제어하거나, 반대로 각 레그(L3-L5)의 상부 스위칭 소자(S5, S7, S9)를 개방 상태로 제어하고 각 레그(L3-L5)의 하부 스위칭 소자(S6, S8, S10)를 단락 상태로 제어할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 인버터의 스위칭 소자 중 각 레그의 상부 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 각 레그의 하부 스위칭 소자를 개방 상태로 제어한 경우 형성된 회로를 도시한 회로도이다.

도 5에 도시된 것과 같이, 컨트롤러(100)가 각 레그(L3-L5)의 상부 스위칭 소자(S5, S7, S9)를 단락 상태로 제어하고 각 레그(L3-L5)의 하부 스위칭 소자(S6, S8, S10)를 개방 상태로 제어하게 되면, 모터(16)의 중성점에 연결된 커패시터(Cnp, C7, C8) 및 모터(16)를 구성하는 인덕터(L3, L4, L5)와의 연결을 형성함에 의해 제2 Y-커패시터 그룹(12)에 포함된 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4)에 인가되는 전압이 서로 달라지게 된다.

한편, 제1 Y-커패시터 그룹(11)에 포함된 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)에는 직류 링크단의 직류 전압(Vdc)가 그대로 인가되어 제2 커패시터(C2)의 전압은 직류 전압(Vdc)의 1/2이 된다.

이와 같이, 컨트롤러(100)는 인버터(141) 내의 스위칭 소자(S5-S10)를 제어하여 제2 Y-커패시터 그룹(12)의 커패시터(C3, C4)에 인가되는 전압을 서로 다른 값이 되게 함으로써 스위치(13) 양단 전압이 서로 다른 값이 되게 조정한다. 이어, 컨트롤러(100)는 스위치(13)를 개방 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 스위치(13)로 제공한 후 스위치(13) 양단 전압을 측정하여 양단 전압이 서로 동일한 경우에는 스위치가 개방되지 못한 것으로 판단하여 스위치(13)가 융착된 고장이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 또한, 컨트롤러(100)는 스위치(13)을 단락 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 스위치(13)로 제공한 후 스위치(13) 양단 전압을 측정하여 양단 전압이 서로 다른 경우에는 스위치가 단락 되지 못한 것으로 판단하여 스위치(13)에 개방 고장이 발생한 것으로 진단할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따르면, 차량의 고전압 시스템에 적용되는 여러 부품에 Y-커패시터와 접지와의 연결을 형성/차단하기 위한 스위치를 별도의 하드웨어 추가 없이 간단하게 그 고장 여부를 진단할 수 있고, 스위치의 고장에 따라 발생하는 다른 부품에 오작동 등의 문제에 의한 오진단 및 오정비를 사전에 예방할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 배터리 11, 12: Y-커패시터 그룹
13: 스위치 141: 비절연형 OBC
142: 인버터 15: 공통모드 필터
16: 모터 100: 컨트롤러

Claims

직류 링크단의 양극단과 음극단 사이에 상호 직렬 연결된 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하는 제1 Y-커패시터 그룹;
상기 직류 링크단의 양극단과 음극단 사이에 상호 직렬 연결된 제3 커패시터 및 제4 커패시터를 포함하는 제2 Y-커패시터 그룹;
상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고 상기 제3 커패시터와 상기 제4 커패시터의 연결 노드에 타단이 연결되며, 상기 일단과 타단 중 하나는 접지와 연결되는 Y-커패시터 차단 스위치;
상기 직류 링크단에 연결되며, 스위칭 소자를 포함하고 상기 스위칭 소자의 온/오프에 의해 상기 직류 링크단의 직류 전압을 결정하는 전력 변환 회로; 및
상기 전력 변환 회로 내 상기 스위칭 소자의 상태를 제어하여 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성한 후 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 차단 동작 상태를 제어하고 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 양단 전압을 기반으로 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 고장 여부를 진단하는 컨트롤러;
를 포함하고,
상기 컨트롤러의 제어에 따라, 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 일단으로 인가되는 상기 제2 커패시터의 전압과 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 타단으로 인가되는 상기 제4 커패시터의 전압은 서로 다른 값을 갖는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환 회로는 서로 직렬 연결된 상부 스위칭 소자 및 하부 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 레그를 갖는 브릿지 회로를 포함하며, 상기 복수의 레그 양단은 상기 직류 링크단의 양극단과 음극단에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 2에 있어서 상기 컨트롤러는,
상기 Y-커패시터 차단 스위치의 진단 모드 시, 상기 브릿지 회로의 각 레그에 포함된 상부 스위칭 소자와 하부 스위칭 소자를 서로 다른 상태로 제어하여 상기 제1 Y-커패시터 그룹 또는 제2 Y-커패시터 그룹 내 직렬 연결된 커패시터의 전압을 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 Y-커패시터 그룹은 상기 전력 변환 회로의 출력단에 연결되며, 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 일단과 제1 커패시터 및 제2 커패시터의 연결 노드는 상기 접지에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 Y-커패시터 차단 스위치의 진단 모드 시, 상기 전력 변환 회로의 스위칭 소자를 제어하여 제1 커패시터 및 제2 커패시터에 각각 인가되는 전압의 크기를 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환 회로는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 링크단에 연결된 배터리의 충전 전력으로 제공하는 비절연 충전기이며,
상기 컨트롤러는 상기 비절연 충전기에 포함된 복수의 스위칭 소자의 상태를 제어하여 상기 제1 또는 제2 Y-커패시터 그룹 내에 직렬 연결된 커패시터에 인가되는 전압을 서로 다른 크기가 되게 하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 비절연 충전기는,
서로 직렬 연결되어 하나의 레그를 구성하는 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자와, 다른 하나의 레그를 구성하는 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며,
상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드로 상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 일 단자가 연결되고, 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드로 외부의 교류 전력이 입력되는 입력단의 타 단자가 연결되며, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자가 서로 연결된 노드와 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자가 서로 연결된 노드 사이에 상기 직류 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 양 단자 사이에 서로 직렬 연결되고 서로 연결된 노드가 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터의 연결 노드에 연결된 제5 커패시터 및 제6 커패시터와, 상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 일 단자와 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드 사이에 연결된 제1 인덕터와, 상기 교류 전력이 입력되는 입력단의 일 단자와 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드 사이에 연결된 제2 인덕터를 갖는 필터; 및 상기 직류 링크단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터를 더 포함하며,
상기 컨트롤러는, 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 진단 모드 시 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하거나, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하고 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환 회로는, 상기 직류 전압을 복수의 상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 모터의 각 상에 제공하거나 모터의 중성점에 인가되는 직류 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 링크단에 인가하는 인버터이며,
상기 컨트롤러는 상기 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자의 상태를 제어하여 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 인버터는,
상기 직류 링크단 사이에서 서로 직렬 연결되어 하나의 레그를 구성하는 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자와, 상기 직류 링크단 사이에서 서로 직렬 연결되어 다른 하나의 레그를 구성하는 제7 스위칭 소자 및 제8 스위칭 소자와, 상기 직류 링크단 사이에서 서로 직렬 연결되어 또 다른 하나의 레그를 구성하는 제9 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자를 포함하며,
상기 제5 스위칭 소자, 제7 스위칭 소자 및 제9 스위칭 소자의 일단은 상기 직류 링크단의 일 단자에 연결되고 상기 제6 스위칭 소자, 제8 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자의 일단은 상기 직류 링크단의 타 단자에 연결되며, 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 모터의 한 상에 연결되고 상기 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 모터의 다른 상에 연결되며 상기 제9 스위칭 소자와 제10 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 모터의 또 다른 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 모터의 중성점에 외부의 직류 전력에 의한 직류 전압을 인가하기 위한 중성점 커패시터 및 상기 중성점 커패시터의 양단에 서로 직렬 연결되며 서로 직렬 연결된 노드가 상기 제3 커패시터와 제4 커패시터의 연결 노드에 연결된 제7 커패시터 및 제8 커패시터를 더 포함하며,
상기 컨트롤러는, 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 진단 모드 시 상기 제5 스위칭 소자, 제7 스위칭 소자 및 제9 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하고 상기 제6 스위칭 소자, 제8 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하거나, 상기 제5 스위칭 소자, 제7 스위칭 소자 및 제9 스위칭 소자를 개방 상태로 제어하고 상기 제6 스위칭 소자, 제8 스위칭 소자 및 제10 스위칭 소자를 단락 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨트롤러, 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 진단 모드 시, 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 양단 전압을 서로 다르게 형성한 후,
상기 Y-커패시터 차단 스위치를 온 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 상기 Y-커패시터 차단 스위치에 제공한 상태에서 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 양단 전압이 서로 다른 경우 상기 Y-커패시터 차단 스위치에 개방 고장이 발생한 것으로 진단하고, 상기 Y-커패시터 차단 스위치를 오프 상태로 제어하기 위한 제어 신호를 상기 Y-커패시터 차단 스위치에 제공한 후 상기 Y-커패시터 차단 스위치의 양 단 전압이 서로 동일한 경우 상기 Y-커패시터 차단 스위치에 융착 고장이 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 Y-커패시터를 선택적으로 접지와 연결하는 스위칭 수단의 진단 시스템.