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KR101906011B1 - 모터의 소모 전력 추정 방법 - Google Patents

모터의 소모 전력 추정 방법 Download PDF

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KR101906011B1
KR101906011B1 KR1020160169990A KR20160169990A KR101906011B1 KR 101906011 B1 KR101906011 B1 KR 101906011B1 KR 1020160169990 A KR1020160169990 A KR 1020160169990A KR 20160169990 A KR20160169990 A KR 20160169990A KR 101906011 B1 KR101906011 B1 KR 101906011B1
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이동훈
류창석
강민수
김성도
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

인버터에서 모터로 제공되는 복수의 상의 각각의 극전압에 대한 오차 전압을 결정하는 단계; 상기 모터 구동 시, 사전 설정된 방식으로 도출되는 상기 극전압에 대한 예측값에 상기 오차 전압을 적용하여 상기 모터의 각 상에 대한 보상 극전압을 생성하는 단계; 및 상기 보상 극전압과 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류를 검출한 전류값을 이용하여 상기 모터의 소모 전력을 연산하는 단계를 포함하는 모터의 소모 전력 추정 방법이 개시된다.

Description

모터의 소모 전력 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING POWER CONSUMPTION OF MOTOR IN FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 모터의 소모 전력 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터의 스위칭 소자 구동에 의해 발생하는 오차를 보상하여 모터에 인가되는 각 상의 극전압을 도출함으로써 더욱 정확하게 결정함으로써 모터의 소모 전력을 추정할 수 있는 모터의 소모 전력 추정 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량의 경우, 연료전지에서 생성된 전력을 차량의 여러 요소에 분배하는 제어가 요구된다. 이러한 연료전지 차량의 전력분배 제어 시에는, 모터를 구동하여 연료전지의 공기극(cathode)에 공기를 공급하기 위한 공기 압축기, 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 냉각수 순환용 펌프, 라디에이터 팬, 에어컨 등과 같은 보기류 시스템의 출력을 예측하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 연료전지 스택 및 고전압 배터리 출력은 각각의 출력단에 배치된 전류 센서를 통해 정확한 측정이 가능하고, 챠량의 구동륜에 연결된 구동계 모터는 토크 예측값을 바탕으로 소모 동력을 예측할 수 있는 반면, 기타 차량용 보기류들에 대해서는 각각에 별도의 센서가 장착되지 않아 정확한 소모 동력 예측이 불가능하다.
특히, 연료전지에 공기를 공급하기 위해 모터를 구비하는 공기 압축기는 연료전지 스택의 전체 출력의 약 10% 이상 소모하기 때문에 전력분배 제어의 정밀도 향상을 위해 정확한 공기 압축기 모터의 소모 전력을 예측하는 것이 중요하지만 정확한 소모 전력을 예측하는 것이 매우 어렵다. 특히, 공기 압축기는 연료전지 스택에 연료와의 반응을 위해 필수적으로 요구되는 공기를 공급하는 기능을 담당하기 때문에 연료전지 출력 변동에 따라 공기 압축기 모터의 속도 변화량이 대단히 크다. 이로 인해, 공기 압축기의 모터는 그 운전 속도에 따라 출력이 다르고, 동일 속도에서도 가속, 감속, 및 정속 상황에 따라 소모 동력 차이가 크기 때문에 공기 압축기의 모터에 대한 소모동력을 예측하는 것은 대단히 어렵다.
연료전지 차량에서는 연료전지 스택 출력 및 배터리 충방전량에 대한 정략적인 제어를 위해 전술한 것과 같은 특성을 갖는 공기 압축기의 소모 전력을 반드시 정확하게 예측할 할 수 있어야 한다. 예를 들어 운전자가 WOT(Wide Open Throttle) 발진 가속을 시도할 때 공기 압축기 소모 전력 예측이 잘못되면, 그 만큼 모터에서 의도하지 않게 연료전지 또는 고전압 배터리로부터 공기압축기 소모동력 예측 오차만큼 에너지를 더 소비하거나 에너지를 부족하게 사용하게 된다. 공기 압축기가 에너지를 더 소비하게 되는 경우에는 연료전지 또는 배터리에서 허용 가능한 최대 출력 이상의 에너지를 소비하게 됨으로써 연료전지 및 배터리가 손상될 수 있고, 공기 압축기가 에너지를 부족하게 사용하는 경우 연료전지로 공기 공급이 부족하여 차량에서 요구되는 동력 성능을 발휘하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
종래에는 시험 평가를 통해 공기 압축기 유량 또는 모터 회전 속도에 대하여 소모 전력을 매핑한 맵을 이용하여 공기 압축기 소모 전력을 예측하였다. 그러나 이러한 방식을 사용하는 경우, 전술한 것과 같이 공기 압축기 모터가 동일 회전 속도(또는 공기 압축기에 의해 공급되는 공기의 유량) 조건에서도 가속, 감속 및 정속 등 운전 상태와 가감속 상태에서도 가감속량에 따라 소모 전력이 동일하지 않기 정확한 소모 전력 측정이 불가능하게 되는 문제가 있다.
이와 같이, 연료전지 차량에서는 연료전지로 공기를 공급하는 공기 압축기의 소모 전력, 더욱 정확하게는 공기 압축기 내의 모터의 소모 전력을 정확하게 예측하는 기술이 절실하게 요구되고 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 10-2014-0073735 A KR 10-2015-0026265 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 인버터의 스위칭 소자 구동에 의해 발생하는 오차를 보상하여 모터에 인가되는 각 상의 극전압을 도출함으로써 더욱 정확하게 결정함으로써 모터의 소모 전력을 추정할 수 있는 연료전지 시스템의 공기 압축기의 소모 전력 추정 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
인버터에서 모터로 제공되는 복수의 상의 각각의 극전압에 대한 오차 전압을 결정하는 단계;
상기 모터 구동 시, 사전 설정된 방식으로 도출되는 상기 극전압에 대한 예측값에 상기 오차 전압을 적용하여 상기 모터의 각 상에 대한 보상 극전압을 생성하는 단계; 및
상기 보상 극전압과 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류를 검출한 전류값을 이용하여 상기 모터의 소모 전력을 연산하는 단계;
를 포함하는 모터의 소모 전력 추정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 오차 전압을 측정하는 단계는, 상기 인버터에 상기 모터의 각 상에 대한 극전압 지령을 제공하는 단계; 상기 극전압 지령의 변화에 따른 상기 모터의 각 상의 전류를 검출하는 단계; 및 상기 극전압 지령과 상기 검출된 전류의 관계를 나타내는 전압-전류 그래프에서, 전류 변화가 선형적으로 나타나는 구간에서 그 선을 연장하여 상기 전압-전류 그래프의 전압축과 만나는 지점의 전압값을 각 상에 대한 상기 오차전압으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 극전압 지령을 제공하는 단계는, 상기 모터의 각 상에 양의 극전압 지령 및 음의 극전압 지령을 각각 별도로 제공하는 단계이며, 상기 오차전압으로 결정하는 단계는, 양의 극전압 지령이 제공될 때 검출된 양의 전류를 이용하여 각 상에 대한 제1 오차전압을 결정하고, 음의 극전압 지령이 제공될 때 검출된 음의 전류를 이용하여 각 상에 대한 제2 오차전압을 결정하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 보상 극전압을 생성하는 단계는, 상기 모터 구동 시, 각 상의 전류가 양의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 차감하고, 각 상의 전류가 음의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 가산하여 각 상에 대한 보상 극전압을 생성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 보상 극전압을 생성하는 단계는, 상기 모터 구동 시, 각 상의 전류가 양의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 제1 오차전압을 차감하고, 각 상의 전류가 음의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 제2 오차전압을 차감하여 각 상에 대한 보상 극전압을 생성하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 보상 극전압을 생성하는 단계는, 각 상의 전류가 사전 설정된 기준전류 α(양의 값) 보다 크면 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 차감하고, 각 상의 전류가 -α보다 작으면 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 가산하며, 각 상의 전류가 α에서 -α 사이의 값인 경우 상기 오차전압을 선형적으로 변경하여 상기 극전압 예측값에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 각 상의 전류가 α에서 -α 사이의 값인 경우,
식
Figure 112016122386418-pat00001
,
Figure 112016122386418-pat00002
(Vn _out_real: 각 상에 대한 보상 극전압, Vn: 각 상에 대한 극전압 예측값, Vref: 상기 오차전압, α: 기준 전류, I: 각 상의 검출 전류)에 에 의해 오차전압을 변경하여 상기 극전압 예측값에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 극전압 예측값은 상기 인버터의 스위칭 소자의 게이트로 인가되는 PWM 신호의 듀티값을 기반으로 예측된 전압값 또는 상기 모터를 제어하기 위한 모터 제어기에 포함된 전류 제어부에서 생성된 D축 전압지령 및 Q축 전압지령을 좌표변환하여 생성된 각 상의 극전압 지령값일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 소모 전력을 연산하는 단계는, 상기 보상 극전압과 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류를 검출한 전류값을 각각 고정 좌표계의 D축 및 Q축 전압 및 전류로 변환하고, 변환된 값을 이용하여 상기 모터의 소모 전력을 연산하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 소모 전력을 연산하는 단계는, 식
Figure 112016122386418-pat00003
(IDfix: 상기 검출한 전류값을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 D축 전류, IQfix: 상기 검출한 전류값을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 Q축 전류, VD_out_real: 상기 보상 극전압을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 D축 전압, VQ _out_real: 상기 보상 극전압을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 Q축 전압)에 의해 상기 모터의 소모 전력을 연산하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 소모 전력을 연산하는 단계에서 연산된 상기 모터의 소모 전력 및 상기 인버터에 대해 사전 설정된 인버터 효율을 기반으로 상기 인버터의 출력을 연산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 인버터의 출력을 연산하는 단계는, 상기 인버터가 상기 모터의 회전 방향으로 토크를 인가하도록 하는 모터링 상태에서 식
Figure 112016122386418-pat00004
(Pinv: 상기 인버터의 출력, Pmot: 상기 소모 전력을 연산하는 단계에서 연산된 상기 모터의 소모 전력, ηinv: 상기 인버터 효율)에 의해 상기 인버터의 출력을 연산하고, 상기 인버터가 상기 모터의 회전 방향의 역방향으로 토크를 인가하는 회생제동 상태에서 식
Figure 112016122386418-pat00005
에 의해 상기 인버터의 출력을 연산할 수 있다.
상기 모터 소모 전력 추정 방법에 따르면, 연료전지 차량의 공기 압축기에 적용되는 모터의 소모 전력을 정확하게 측정함으로써 연료전지 차량의 전력분배 제어 정밀도 향상을 통한 효율 개선할 수 있으며 연료전지 출력 제한 정밀도 개선할 수 있다.
또한, 상기 모터 소모 전력 추정 방법에 따르면, 연료전지 출력 제한 정밀도 개선을 통해 연료전지로부터 과도한 출력 발생으로 인한 연료전지 영구적인 손상 방지할 수 있고, 과도한 연료전지 출력 제한에 의한 차량 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 모터 소모 전력 추정 방법에 따르면, DC단 전류 센서 없이도 연료전지 차량용 공기 압축기의 정확한 소모 전력 예측 가능하며, 센서 장착시와 동등 수준의 응답성 및 정밀도 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법이 적용될 수 있는 연료전지 시스템의 일례를 간략하게 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 소모 전력 추정 방법이 적용되는 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 기법의 이해를 돕기 위해 마련된 통상적인 인버터와 모터를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법에서 오차전압 측정 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다.
도 6은 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법에서 오차전압 측정 단계에서 도출되는 전압-전류 관계 그래프이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 공기 압축기의 소모 전력 추정 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법이 적용될 수 있는 연료전지 시스템의 일례를 간략하게 도시한 블록 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료인 수소와 산화제인 공기를 공급받아 산화/환원 작용을 통해 전력을 생성하는 연료전지 셀을 포함하는 연료전지 스택(100)과, 연료전지 스택(100)의 공기극(캐소드(cathode))로 압축 공기를 공급하는 공기 압축기(10) 및 공기 압축기(10)의 압축 공기에 수분을 공급하여 연료전지 스택(100)으로 전달하는 가습기(200)를 포함할 수 있다. 여기서, 가습기(200)는 연료전지 스택(100)에서 배출되는 고습의 비반응 공기를 제공받아 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기에 수분을 제공하게 된다.
이와 같은 공기 압축기(10)의 제어를 구현하기 위해, 연료전지 시스템은 공기 압축기(10), 더욱 정확하게는 공기 압축기(10)에 포함된 모터를 제어하기 하기 위한 제어기(20)가 마련될 수 있다. 제어기(20)는 공기 압축기(10)에 포함된 모터를 속도 지령 또는 토크 지령에 따라 이를 추종하도록 모터를 제어하기 위한 통상적인 모터 제어기를 포함할 수 있다. 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 소모 전력 추정 기법을 구현하기 위한 요소들은 이 제어기(20) 내에 구현된 것으로 이해될 수도 있고, 이 제어기(20)와는 별도로 모터 전력 추정을 위해 마련된 제어기 또는 연산기가 추가되는 형태로 구현될 수도 있을 것이다.
또한, 여기서 설명되는 본 발명의 여러 실시형태는, 연료전지 시스템에 포함된 공기 압축기(10)의 모터에 적용되는 소모되는 전력을 추정하는 기법을 적용한 여러 적용예에 관한 것이다. 그러나, 이러한 적용예에 대한 설명이 본 발명을 연료전지 시스템의 공기 압축기로 국한시켜 한정하는 것은 아니며, 연료전지 분야 이외의 다른 기술 분야에 적용되는 다양한 모터의 소모 전력 추정에 본 발명이 광범위하게 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 소모 전력 추정 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 소모 전력 추정 시스템(30)은, 오차전압 측정부(31), 극전압 연산부(32) 및 소모전력 추정부(33)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 소모 전력 추정 시스템(30)은 모터의 구동을 제어하기 위해 마련되는 통상적인 모터 제어기(21)에서 생성되는 값들과 모터(11)로 제공되는 3상 극전압을 생성하는 인버터(40)의 출력 전류를 검출한 값 등을 이용하여 모터(11)의 소모 전력을 추정하게 된다.
오차전압 측정부(31), 극전압 연산부(32) 및 소모전력 추정부(33)를 포함하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 소모 전력 추정 시스템은, 전술한 바와 같이 제어기(컨트롤러)의 형태로 마련될 수 있으며, 이 제어기는 사전에 프로그래밍된 알고리즘을 구현하기 위한 연산을 수행하는 프로세서와 연산 과정에 요구되는 각종 정보를 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 소모 전력 추정 시스템(30)을 구현하는 제어기는, 하드웨어적인 측면에서 모터(11)의 구동 제어를 위해 마련된 통상의 모터 제어기와 통합된 형태로 마련되거나, 그와는 별도로 마련된 다른 하드웨어로 구현될 수도 있다.
오차전압 측정부(31)는 기설정된 방식으로 도출되는 인버터의 각상의 극전압 추정값을 보상하기 위한 오차전압을 측정한다.
극전압 연산부(32)는 오차전압을 반영하여 보상된 극전압을 연산한다.
또한, 소모전력 추정부(33)는 보상된 극전압을 이용하여 모터의 소모 전력을 산출한다.
한편, 도 2에서 참조부호 '21'로 표시된 통상적인 모터 제어기는, 속도(토크) 제어부(211), 전류 제어부(212) 및 좌표 변환부(213)을 포함할 수 있다.
속도(토크) 제어부(211)는, 상위 제어기(미도시)로부터 모터의 속도 또는 토크를 제어하기 위한 속도 지령 또는 토크 지령을 입력 받고 그에 대응되는 전류 지령값(Id*, Iq*)을 생성하여 출력한다. 여기서, 상위 제어기는 연료전지 시스템을 제어하기 위한 제어기 또는 연료전지 시스템이 적용된 차량을 제어하기 위한 차량 제어기가 될 수 있다. 상위 제어기는 차량의 차속, 등판각도, 운전자에 의해 조작되는 액셀러레이터의 개도 등에 기반하여 연료전지 스택(100)의 출력을 결정할 수 있으며, 연료전지 스택(100)의 출력 및 온도 등을 고려하여 공기 압축기(10) 모터의 회전 속도 또는 토크를 결정할 수 있다. 상위 제어기는 이렇게 결정된 모터의 회전 속도 또는 토크를 속도 지령값 또는 토크 지령값으로 속도(토크) 제어부(211)에 제공한다. 속도(토크) 제어부(211)는 입력 받은 속도 지령값 또는 토크 지령값과 모터의 실제 회전 속도를 비교하여 모터의 회전 속도가 속도 지령값을 추정할 수 있는 전류 지령값(Id*, Iq*)을 생성하여 출력한다.
여기서, 전류 지령값(Id*, Iq*)은 모터(11)의 구동 전류에 대한 지령값이다. 모터(11)의 토크는 모터(11)로 제공되는 구동 전류의 크기에 의해 결정되는 것이므로 모터(11)의 토크는 곧 모터(11)의 구동 전류와 동일한 것으로 간주될 수 있다. 더욱 상세하게는, 속도(토크) 제어부(211)에서 출력되는 전류 지령값(Id*, Iq*)은 모터의 동기좌표계에서 D축 및 Q축 전류 지령값(Id*, Iq*)이 될 수 있다.
속도(토크) 제어부(211)는 통상 비례적분(Proportional Integral: PI) 제어기와 같이 지령값과 실측값의 오차를 적분하는 과정을 통해 누적하여 제어량에 반영하는 제어 기법이 적용될 수 있다. 즉, 속도(토크) 제어부(211)는 속도 지령 또는 토크 지령과 모터(11)의 실제 속도 또는 토크의 오차를 적분하여 반영하는 제어 기법이 적용될 수 있다. 속도(토크) 제어부(211)는 PI 제어 기법 이외에, PID (Proportional Integral Differential) 제어, IP(Integral Proportional) 제어, IP-PI 혼합 제어 등의 기법이 적용될 수도 있다.
전류 제어부(212)는, 인버터(40)에서 모터(11)로 제공되는 전류가 전류 지령값(Id*, Iq*)을 추종하도록 제어를 실시하여 동기 좌표계에서의 D축 및 Q축 전압 지령값(Vd*, Vq*)을 출력한다. 전류 제어부(212)는 인버터(40)에서 모터(11)로 제공되는 각 상의 전류 중 일부 또는 전부를 검출하여 D축 전류 및 Q축 전류로 변환한 실제 전류를 피드백 받고 실제 전류가 전류 지령값, 즉 D축 및 Q축 전류 지령값(Id*, Iq*)을 추종하도록 제어할 수 있다.
전술한 속도 제어부(21)와 마찬가지로, 전류 제어부(212)는 PI 제어, PID 제어, IP 제어, IP-PI 혼합 제어 등과 같이, 인버터(40)에서 모터로 제공되는 실제 전류와 전류 지령값(Id*, Iq*)의 오차를 누적하기 위한 적분 과정을 포함하는 제어 기법을 사용할 수 있다.
좌표 변환부(213)는 좌표 변환(DQ <-> 삼상(abc))을 통해 D축 Q축 전압 지령값(Vd*, Vq*)을 3상의 전압 지령값으로 변환하며, 변환된 3상의 전압 지령값을 기반으로 펄스폭 변조를 통해 인버터(40) 내의 스위칭 소자를 구동하기 위한 PWM 스위칭 신호를 생성하여 인버터(40)로 제공할 수 있다. 이 PWM 스위칭 신호가 인버터(40) 내의 스위칭 소자의 게이트에 인가되어 스위칭 소자들이 스위칭이 제어되면서 인버터(40)는 모터(11)를 구동하기 위한 3상의 전류를 출력하게 된다.
한편, 좌표 변환부(213)는 전류 제어부(21)에서 이루어지는 제어를 위해 피드백 되는 인버터(40)의 3상 구동 전류를 실측한 값을 다시 DQ 전류로 변환하여 전류 제어부(212)로 제공할 수도 있다.
즉, 좌표 변환부(213)는 모터에 인가되는 극전압을 생성하기 위해 동기좌표계의 D축, Q축 전압 지령값을 고정좌표계의 D축, Q축 전압으로 변환하고 이를 다시 삼상(a상, b상, c상)의 전압으로 변환할 수 있고, 피드백 제어를 위해 검출된 3상의 전류를 고정좌표계의 전류로 변환한 후 이를 다시 동기좌표계의 전류로 변환할 수 있다. 여기서, 좌표 변환의 상세한 방법은 통상의 기술자가 이미 인지하고 있는 통상의 기술이므로 발명의 주요 기술 사상에 대한 설명에 혼란을 주는 것을 방지하기 위해 생략하기로 한다.
이하에서는, 전술한 것과 같이 구성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 시스템에 의하여 구현되는 모터의 소모 전력 추정 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법에 대한 설명을 통해, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 시스템의 동작, 작용 및 효과가 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법은 오차 전압을 측정하는 단계(S10)와 오차 전압을 적용하여 보상 극전압을 생성하는 단계(S20) 및 보상 극전압을 이용하여 모터의 소모 전력을 연산하는 단계(S30)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 오차 전압을 측정하는 단계(S10)에서, 오차전압 측정부(31)는 인버터(40)에서 모터(11)로 제공되는 각 상의 실제 극전압을 산출하기 위해, 극전압 예측값에 포함되는 오차 전압을 측정한다.
일반적으로 모터의 소모 전력은 다음의 식 1에 의해 연산될 수 있다.
[식 1]
Figure 112016122386418-pat00006
식 1에서 Pmot는 모터의 소모 전력을 나타내며, 아래첨자 Dfix는 모터 고정좌표계 D축을 의미하며, Qfix는 모터 고정좌표계 Q축을 의미한다. 따라서, IDfix는 모터로 제공되는 D축 전류, VDfix는 모터로 인가되는 D축 전압, IQfix는 모터로 제공되는 Q축 전류, VQfix는 모터로 인가되는 Q축 전압을 나타낸다.
일반적으로 인버터(40)에서 모터(11)로 제공되는 각 상의 전류는 전류 센서에 의해 검출되고 있다. 예를 들어, 인버터(40)에서 모터(11)로 제공되는 a상, b상 및 c상의 3상 전류는 전류 제어를 위해 그 중 2 개 이상이 전류 센서(미도시)에 의해 검출되고 있다. 따라서, 상기 식 1에서 전류 성분들은 각 상의 전류를 검출한 값을 좌표변환 하여 신뢰할 수 있는 값으로 도출 가능하다. 그러나, 종래의 모터 소모 전력 추정을 위해 식 1에서 사용되고 있는 전압 성분의 경우에는 별도의 센서 등을 통해 도출되는 값을 기반으로 하는 것이 아니라, 입력 전압을 바탕으로 모터 3상측에 교류 전압을 인가하기 위해 구성된 풀브릿지(full bridge) 회로로 구현되는 인버터(40)의 스위칭 소자의 게이트로 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 듀티(duty)값을 통해 예측된 전압값을 사용하거나, 모터 제어기(21)에 포함된 전류 제어부(212)에서 생성된 D축 전압지령 및 Q축 전압지령을 좌표변환하여 생성된 3상의 극전압 지령을 이용하고 있다.
이와 같이, 종래의 기술에 의해 예측된 3상 극전압과 모터에 인가된 실제의 3상 극전압에는 오차가 발생하고, 이러한 오차에 따라 식 1에 의해 연산된 모터 소모 전력 추정값에도 오차가 발생하게 된다. 예를 들어, 계산된 모터 소모 전력값은 인버터 효율이 100% 보다 작기 때문에 인버터 출력값 보다 작아야함에도 불구하고 인버터 출력값 보다도 오히려 크게 계산되는 경우도 발생하고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 기법의 이해를 돕기 위해 마련된 통상적인 인버터와 모터를 도시한 회로도이다.
도 4에 도시한 것과 같이, 인버터(40)에는 배터리(50)의 양단에 상호 직렬 연결된 두 개의 스위칭 소자가 각각 세 쌍이 병렬 연결된 풀브릿지 형태의 회로 구조를 가질 수 있다. 각 쌍의 스위칭 소자는 한 상의 전압, 전류를 모터(11)에 인가하게 된다. 각 상의 극전압은 도 3에서 인버터에서 각 상으로의 출력을 담당하는 한 쌍의 스위칭 소자의 연결노드(Na, Nb, Nc)의 전압을 의미하는 것이다.
예를 들어, 스위칭 소자(Sa)와 스위칭 소자 (Sa^bar)는 a 상의 전력을 모터(11)로 인가하게 되는데, 스위칭 소자(Sa)가 온되고 스위칭 소자 (Sa^bar)가 오프된 경우 모터(11)로 제공되는 a 상의 전압 및 전류는 양의 값을 갖게 되고 반대로 스위칭 소자(Sa)가 오프되고 스위칭 소자 (Sa^bar)가 온된 경우 모터(11)로 제공되는 a 상의 전압 및 전류는 음의 값을 갖게 됨으로써 모터에 a 상의 교류 전력이 인가되는 것이다. 다른 상의 경우에도 마찬가지로 교류 전력이 생성되어 모터로 인가된다.
도 2의 모터 제어기(21)에서는 원하는 속도 및 토크의 모터 구동을 위해 각 상에 제공되는 극전압 지령을 연산하고 연산된 극전압 지령이 모터로 인가될 수 있도록 인버터(40)에 포함된 스위칭 소자들의 게이트로 제공되는 게이트 신호의 듀티를 결정하여 인버터(40) 게이트로 인가되게 제어하고 있다.
모터(11)의 소모 전력을 정확하게 추정하기 위해서는 인버터(40)의 각 상의 실제 극전압 값을 정확하게 획득할 수 있어야 하는데, 전술한 바와 같이, 종래에 모터 소모 전력 추정에는 실제 극전압 값이 아니라 극전압 예측값을 이용하고 있으므로, 실제 극전압 값과 극전압 예측값 사이의 오차로 인한 모터 소모 전력 추정의 정확도가 떨어지는 문제가 발생하고 있는 것이다.
3상 극전압 예측값과 실제 3상 극전압값 사이에 오차가 발생하는 주된 원인으로는 인버터에 포함된 스위칭 소자의 콜렉터(Collector)와 이미터(Emitter) 사이의 도통손실에 의한 전압 강하와, 한 상의 전압을 생성하도록 상호 직렬 관계로 연결된 두 개의 스위칭 소자(윗상과 아랫상)이 동시에 턴온되어 단락 회로가 발생하는 것을 방지하기 위해 두 스위칭 소자 각각의 턴온 시간 사이에 존재하는 데드 타임(dead time) 효과에 의한 전압 오차를 들 수 있다.
일반적으로, 모터의 구동을 위해 마련된 제어기(21)에 마련되는 전류 제어부(212)에서 3상 극전압 지령을 바탕으로 3상 출력 PWM 듀티 계산시 스위칭 소자의 데드 타임 효과를 이론적으로 보상하는 알고리즘을 적용하고는 있으나, 알고리즘을 통해 계산된 전압 보상값과 실제 발생한 전압값 사이에는 오차가 존재하고 오차의 크기는 사용하는 스위칭 소자의 종류와 특성, 적용중인 전압 보상 제어 알고리즘에 따라 상이하게 나타난다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법의 오차전압 결정 단계(S20)에서는 오차전압 측정부(31)를 이용하여 이러한 극전압에 대한 오차를 보상하기 위해 오차전압을 측정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법에서 오차전압 측정 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다.
먼저, 오차전압 측정부(31)는 모터 제어기(21)를 이용하여 모터(11)의 복수의 상 중 하나의 상에 일정하게 증가 또는 감소하는 극전압 지령을 출력하게 하고(S11), 이 때 해당 상의 전류를 측정하여 도 5와 같이 전압 변화에 따른 전류 변화를 검출한다(S12). 이어, 오차전압 측정부(31)는 극전압 지령과 극전압 지령에 따른 전류의 관계를 나타내는 그래프를 작성하고 전압 변화에 따라 전류 변화가 선형적으로 나타나는 구간에서 그 선을 연장하여 전압-전류 그래프의 전압축과 만나는 지점의 전압값을 오차전압(Vref)로 결정할 수 있다(S13). 단계(S13)에서 이용하는 전압-전류 그래프가 도 6에 도시된다.
도 6은 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법에서 오차전압 측정 단계에서 도출되는 전압-전류 관계 그래프를 도시한 것으로, 오차전압 결정 단계(S11)에서는 전압 변화에 따라 전류 변화가 선형적으로 나타나는 구간에서 그 선을 연장하여 전압-전류 그래프의 전압축과 만나는 지점(P)의 전압값을 오차전압(Vref)로 결정하게 된다.
모터(11)의 고정자의 권선 저항은 상수이기 때문에 인가된 전압에 따라 흐르는 전류는 선형적으로 증가는 특성을 나타낸다. 그렇기 때문에 전압 변화에 따라 전류 변화가 선형적으로 나타나는 구간에서 그 선을 연장하여 전압-전류 그래프의 전압축과 만나는 지점의 전압값은 스위칭 소자의 콜렉터와 이미터 사이의 전압 강하에 해당하는 값이 될 수 있으며, 이 값을 3상 극전압 예측값과 실제 모터에 인가된 전압 간의 오차전압으로 사용할 수 있게 되는 것이다. 이러한 오차전압(Vref)은 각 상에 각각 도출될 수 있다.
이어, 보상 극전압을 생성하는 단계(S20)에서, 극전압 연산부(32)는, 인버터(40)의 스위칭 소자의 게이트로 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 듀티(duty)값을 기반으로 예측된 전압값 또는 모터 제어기(21)의 전류 제어부(212)에서 생성된 D축 전압지령 및 Q축 전압지령을 좌표변환하여 생성된 3상의 극전압 지령으로 결정되던 극전압 예측값에 오차전압(Vref)을 적용하여 오차전압(Vref)이 보상된 보상 극전압을 연산한다.
보상 극전압을 연산하는 단계(S20)에서 극전압 연산부(32)는 모터(11)가 실제 구동될 때 각 상의 전류의 크기가 양인지 또는 음인지에 따라 오차전압(Vref)를 달리 적용할 수 있다.
예를 들어, 모터의 구동 시 모터의 a상 전류가 양의 값인 경우 a상의 실제 극전압값(보상 극전압값)은 예측된 극전압 값에 오차전압(Vref)를 차감하여 다음의 식 2와 같이 도출될 수 있다.
[식 2]
Figure 112016122386418-pat00007
식 2에서, VAn _out_real은 a상의 보상된 극전압을 나타내고, VAn은 a상의 극전압 예측값을 나타낸다.
또한, 모터의 구동 시 모터의 a상 전류가 음의 값인 경우 a상 극 전압값(보상 전압값)은 예측된 극전압 값에 오차전압(Vref)를 가산하여 다음의 식 3과 같이 도출될 수 있다.
[식 3]
Figure 112016122386418-pat00008
상기 식 2와 식 3은 인버터에서 모터의 각 상에 상전류를 양의 방향으로 제공하도록 극전압 지령을 양의 값을 인가하여 오차전압(Vref)을 도출하는 방식을 적용하였다. 그러나, 극전압의 오차는 상전류의 방향에 따라 서로 상이하게 나타날 수도 있으므로, 인버터에서 모터의 각 상전류를 음의 방향으로 인가할 수 있도록 인버터에 음의 극전압 지령을 출력하고 해당 상의 전류를 측정하여 전압 변화에 따른 전류 변화가 선형적으로 나타나는 구간에서 그 선을 연장하여 전압축과 만나는 지점의 전압값으로 확인하여 음의 전류가 흐를 때의 전압 오차 보상값을 별도로 계산하여 적용할 수도 있다.
한편, a상 전류가 0(zero) A(ampere)를 기준으로 오차전압(Vref)을 합산 또는 차감하여 보상값을 적용하게 되는 경우 비선형성이 나타나는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 비선형 특성을 제거하기 위해서, 극전압 연산부(32)는 사전 설정된 기준전류 α(양의 값)를 기준으로 a상 전류가 α 보다 크면 오차전압(Vref)를 차감하고 -α 보다 작으면 오차전압(Vref)를 가산하며, a 상 전류가 α에서 -α 사이의 값인 경우에는 다음의 식 4와 같이 선형적으로 오차 전압을 변경하여 적용하는 것이 타당하다.
[식 4]
Figure 112016122386418-pat00009
Figure 112016122386418-pat00010
여기서, 기준 전류 α는 모터 3상 최대 전류 보다 충분히 작은 값으로 시험적으로 설정 가능하다. 기준 전류 α의 설정 방식은 다양한 방식 적용이 가능하며, 몇가지 예로서 기준전류 α를 변화시키면서 모터 저출력 운전 영역에서 전술한 식 2 및 식 3을 통해 보상 전압값(Vref)를 적용하여 계산된 모터 소모 전력과 별도의 센서를 통해 계측한 모터 출력값의 비교를 통해 오차가 최소가 되도록 α를 튜닝하거나, 3상 전류가 0 A 부근에서 발생하는 비선형성으로 인해 전술한 식 2 및 식 3을 통해 보상 전압값(Vref)을 적용하여 계산된 모터 소모 전력값에는 발생하는 노이즈가 최소화되도록 튜닝을 통해 기준전류 α 값이 설정될 수 있다.
보상 극전압을 생성하는 단계(S20)에서, 극전압 연산부(32)는 각 상에 대해 전술한 식 2 내지 식 4를 통해 보상 극전압을 생성하고, 보상 극전압을 좌표 변환하여 고정좌표계에서 D축 전압 및 Q축 전압을 다음의 식 5와 같이 도출할 수 있다.
[식 5]
Figure 112016122386418-pat00011
이어, 소모 전력 연산 단계(S30)에서 소모전력 추정부(33)는 오차전압(Vref)가 보상된 극전압을 이용하여 다음의 식 6과 같이 모터(11)의 소모 전력을 연산한다.
[식 6]
Figure 112016122386418-pat00012
이상에서 설명한 것과 같은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 기법을 이용하면, 모터(11)로 전력을 제공하는 인버터(40)의 소모 전력(출력)을 연산할 수도 있다.
인버터(40)의 소모 전력은 인버터(40)가 모터의 회전 방향으로 토크를 인가하도록 하는 모터링 상황에서 다음의 식 7과 같이 도출될 수 있으며, 인버터(40)가 모터의 회전 방향의 역방향으로 토크를 인가하는 회생제동 상황에서는 다음의 식 8과 같이 도출될 수 있다.
[식 7]
Figure 112016122386418-pat00013
[식 8]
Figure 112016122386418-pat00014
상기 식 7 및 식 8에서 Pinv는 인버터의 소모 전력(출력)이고, Pmot는 상기 식 6에 의해 연산된 모터의 소모 전력이며, ηinv는 인버터 효율이다.
인버터 효율은 다양한 방식에 의해 사전에 도출될 수 있는데, 예를 들어 운전 조건(모터 회전 속도 및 토크값)에 따라 실험적으로 산출된 맵데이터를 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법은, 공기 압축기에 적용되는 모터의 소모 전력을 정확하게 측정함으로써 연료전지 차량의 전력분배 제어 정밀도 향상을 통한 효율 개선할 수 있으며 연료전지 출력 제한 정밀도 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법은, 연료전지 출력 제한 정밀도 개선을 통해 연료전지로부터 과도한 출력 발생으로 인한 연료전지 영구적인 손상 방지할 수 있고, 과도한 연료전지 출력 제한에 의한 차량 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터의 소모 전력 추정 방법은, DC단 전류 센서 없이도 연료전지 차량용 공기 압축기의 정확한 소모 전력 예측 가능하며, 센서 장착시와 동등 수준의 응답성 및 정밀도 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 공기 압축기 11: 모터
20: 공기 압축기 제어기 21: 모터 제어기
211: 속도(토크) 제어부 212: 전류 제어부
213: 좌표 변환부 30: 모터 소모 전력 추정 시스템
31: 오차전압 측정부 32: 극전압 연산부
33: 소모전력 추정부

Claims (12)

  1. 인버터에서 모터로 제공되는 복수의 상의 각각의 극전압을 사전 설정된 방식으로 예측한 예측값과 상기 극전압의 실제값의 차이에 해당하는 오차 전압을 결정하는 단계;
    상기 모터 구동 시, 사전 설정된 방식으로 도출되는 상기 극전압에 대한 예측값에 상기 오차 전압을 적용하여 상기 모터의 각 상에 대한 보상 극전압을 생성하는 단계; 및
    상기 보상 극전압과 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류를 검출한 전류값을 이용하여 상기 모터의 소모 전력을 연산하는 단계를 포함하며,
    상기 오차 전압을 결정하는 단계는,
    상기 인버터에 상기 모터의 각 상에 대한 극전압 지령을 제공하는 단계;
    상기 극전압 지령의 변화에 따른 상기 모터의 각 상의 전류를 검출하는 단계; 및
    상기 극전압 지령과 상기 검출된 전류의 관계를 나타내는 전압-전류 그래프에서, 전류 변화가 선형적으로 나타나는 구간에서 그 선을 연장하여 상기 전압-전류 그래프의 전압축과 만나는 지점의 전압값을 각 상에 대한 상기 오차전압으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 극전압 지령을 제공하는 단계는, 상기 모터의 각 상에 양의 극전압 지령 및 음의 극전압 지령을 각각 별도로 제공하는 단계이며,
    상기 오차전압으로 결정하는 단계는, 양의 극전압 지령이 제공될 때 검출된 양의 전류를 이용하여 각 상에 대한 제1 오차전압을 결정하고, 음의 극전압 지령이 제공될 때 검출된 음의 전류를 이용하여 각 상에 대한 제2 오차전압을 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 보상 극전압을 생성하는 단계는,
    상기 모터 구동 시, 각 상의 전류가 양의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 차감하고, 각 상의 전류가 음의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 가산하여 각 상에 대한 보상 극전압을 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 보상 극전압을 생성하는 단계는,
    상기 모터 구동 시, 각 상의 전류가 양의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 제1 오차전압을 차감하고, 각 상의 전류가 음의 값인 경우 상기 극전압 예측값에 상기 제2 오차전압을 차감하여 각 상에 대한 보상 극전압을 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 보상 극전압을 생성하는 단계는,
    각 상의 전류가 사전 설정된 기준전류 α(양의 값) 보다 크면 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 차감하고, 각 상의 전류가 -α보다 작으면 상기 극전압 예측값에 상기 오차전압을 가산하며, 각 상의 전류가 α에서 -α 사이의 값인 경우 상기 오차전압을 선형적으로 변경하여 상기 극전압 예측값에 차감하는 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    각 상의 전류가 α에서 -α 사이의 값인 경우,
    식
    Figure 112016122386418-pat00015
    ,
    Figure 112016122386418-pat00016
    (Vn _out_real: 각 상에 대한 보상 극전압, Vn: 각 상에 대한 극전압 예측값, Vref: 상기 오차전압, α: 기준 전류, I: 각 상의 검출 전류)에 에 의해 오차전압을 변경하여 상기 극전압 예측값에 적용하는 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 극전압 예측값은 상기 인버터의 스위칭 소자의 게이트로 인가되는 PWM 신호의 듀티값을 기반으로 예측된 전압값 또는 상기 모터를 제어하기 위한 모터 제어기에 포함된 전류 제어부에서 생성된 D축 전압지령 및 Q축 전압지령을 좌표변환하여 생성된 각 상의 극전압 지령값인 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 소모 전력을 연산하는 단계는,
    상기 보상 극전압과 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류를 검출한 전류값을 각각 고정 좌표계의 D축 및 Q축 전압 및 전류로 변환하고, 변환된 값을 이용하여 상기 모터의 소모 전력을 연산하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 소모 전력을 연산하는 단계는,
    식
    Figure 112016122386418-pat00017
    (IDfix: 상기 검출한 전류값을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 D축 전류, IQfix: 상기 검출한 전류값을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 Q축 전류, VD_out_real: 상기 보상 극전압을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 D축 전압, VQ _out_real: 상기 보상 극전압을 변환하여 생성된 고정 좌표계의 Q축 전압)에 의해 상기 모터의 소모 전력을 연산하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 소모 전력을 연산하는 단계에서 연산된 상기 모터의 소모 전력 및 상기 인버터에 대해 사전 설정된 인버터 효율을 기반으로 상기 인버터의 출력을 연산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 인버터의 출력을 연산하는 단계는,
    상기 인버터가 상기 모터의 회전 방향으로 토크를 인가하도록 하는 모터링 상태에서 식
    Figure 112016122386418-pat00018
    (Pinv: 상기 인버터의 출력, Pmot: 상기 소모 전력을 연산하는 단계에서 연산된 상기 모터의 소모 전력, ηinv: 상기 인버터 효율)에 의해 상기 인버터의 출력을 연산하고,
    상기 인버터가 상기 모터의 회전 방향의 역방향으로 토크를 인가하는 회생제동 상태에서 식
    Figure 112016122386418-pat00019
    에 의해 상기 인버터의 출력을 연산하는 것을 특징으로 하는 모터의 소모 전력 추정 방법.
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