KR100867826B1 - 전기자동차의 회생제동 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기자동차의 회생제동 제어 방법에 관한 것으로서, 피드포워드 제어기와 피드백 제어기를 동시에 사용하여 실시간으로 배터리의 최대 충전이 가능한 회생제동 토크를 산출하도록 함으로써, 피드포워드 제어기의 사용에 따른 빠른 응답 특성을 얻을 수 있고, 피드백 제어기를 통한 시스템의 측정 오차에 의한 불안정 요소를 제거할 수 있게 되며, 피드포워드 제어기 및 피드백 제어기의 동시 사용으로 시스템 모델링 에러 존재시에도 시스템 셧다운 없이 회생제동량을 극대화할 수 있는 전기자동차의 회생제동 제어 방법에 관한 것이다.
전기자동차, 연료전지, 하이브리드, 회생제동, 피드포워드 제어, 피드백 제어
Description
도 1은 차량의 회생제동시에 종래의 토크 신호 전달상태를 도시한 도면,
도 2는 PCU에서 브레이크 신호를 입력받아 맵 처리 후 MCU로 출력하는 과정을 나타낸 순서도,
도 3은 MCU의 약계자 제어를 설명하는 도면,
도 4는 연료전지 배터리 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도,
도 5는 연료전지 배터리 하이브리드 차량의 회생제동시에 본 발명에 따른 토크 신호 전달상태를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 제어 알고리즘을 도시한 도면으로, 피드포워드 제어와 피드백 제어에 대한 제어 알고리즘을 도시한 도면,
도 7은 본 발명에서 피드포워드 제어기와 피드백 제어기의 신호 입출력상태를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 피드포워드 제어기가 수행하는 토크 계산 과정의 순서도,
도 9는 본 발명의 피드백 제어기가 수행하는 보정계수 계산 과정의 순서도를 나타낸 도면,
도 10은 PCU에 의해 회생제동 토크가 조절되는 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : PCU 2 : MCU
10 : VCU 20 : PCU
21 : 피드포워드 제어기 25 : 피드백 제어기
30 : MCU
본 발명은 전기자동차의 회생제동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피드포워드 제어기와 피드백 제어기를 동시에 사용하여 실시간으로 배터리의 최대 충전이 가능한 회생제동 토크를 산출하도록 함으로써, 피드포워드 제어기의 사용에 따른 빠른 응답 특성을 얻을 수 있고, 피드백 제어기를 통한 시스템의 측정 오차에 의한 불안정 요소를 제거할 수 있게 되며, 피드포워드 제어기 및 피드백 제어기의 동시 사용으로 시스템 모델링 에러 존재시에도 시스템 셧다운 없이 회생제동량을 극대화할 수 있는 전기자동차의 회생제동 제어 방법에 관한 것이다.
세계 자동차 산업은 지난 100년 이상 가솔린 및 디젤 내연기관을 중심으로 급속한 성장을 거듭해 왔지만 환경규제와 에너지 안보위협, 여기에 화석연료 고갈 문제까지 맞물리면서 엄청난 변화에 직면하고 있다.
이에 선진국을 중심으로 한 세계 각국은 친환경 자동차 개발을 위한 치열한 경쟁에 속속 참여하고 있으며, 각 자동차 제조사들은 친환경, 고효율의 첨단기술을 필요로 하는 미래형 자동차의 기술개발 경쟁에서 낙오하지 않기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
특히, 직면한 화석연료의 고갈 문제를 해결하면서 보다 친환경적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여, 최근 각 자동차 제조사들은 구동모터를 동력원으로 사용하는 전기자동차에 대한 연구를 더욱 활발히 진행되고 있다.
현재 가장 활발히 연구되고 있는 분야로 하이브리드 차량 및 연료전지 차량 등과 같은 전기자동차를 들 수 있다.
여기서, 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 가솔린이나 디젤 등의 연료를 사용하는 엔진과 고전압 배터리의 전력으로 구동되는 구동모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)라 부르고 있다.
하이브리드 전기 차량에서는 엔진과 구동모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론 구동모터로 에너지를 회수하여 고전압 배터리를 충전시키므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.
또한 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 최근 관심 있게 연구되는 무공해 발전장치이다.
연료전지가 장착된 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지로 공급하여 전기를 생산하게 되며, 연료전지에 의해 생산된 전기로 구동모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
한편, 연료전지 차량(또는 연료전지 배터리 하이브리드 차량)에는 차량 전반의 제어를 담당하는 차량 제어기(Vehicle Control Unit, 이하 'VCU'라 함)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.
이와 같이 연료전지 차량에서는 장치별로 제어기를 구비하여 차량 운행 중에 복수개의 제어기들이 상기 VCU를 상위 제어기로 하는 상호 간 협조제어를 수행하게 되는데, 이때 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.
상기 VCU를 상위 제어기로 하여 모터 구동을 제어하는 관련 제어기로는 크게 동력분배제어기(하이브리드 제어기라고도 함)(Power Control Unit, 이하, 'PCU'라 함)와 모터 제어기(Motor Control Unit, 이하, 'MCU'라 함)를 들 수 있다.
통상 VCU는 가속페달 또는 브레이크 페달 조작에 의한 운전자 의지를 반영하여 구동 토크 및 제동 토크를 산출하고, PCU(또는 FHCU:Fuel Cell Hybrid Control Unit)는 에너지 소스인 연료전지 제어기로서 고전압 배터리의 동력 분배 기능을 담당하며, MCU는 구동모터를 회전시키기 위한 파워 모듈로 직류 전류를 받아서 3상 PWM을 생성시키고 모터 구동 및 회생제동을 담당한다.
그리고, 전기자동차에서는 구동모터가 차량을 구동시키는 목적 이외에 차량 감속시 회생제동을 함으로써 운동 에너지를 회수하여 저장하는 역할을 하게 된다.
즉, 전기자동차는 제동(braking)시에 제동력의 일부를 발전에 사용하고, 발전된 전기에너지를 배터리의 충전에 사용하는 바, 자동차의 주행속도에 의한 운동에너지(kinetic energy)의 일부를 발전기의 구동에 필요한 에너지로 사용함으로써, 운동에너지의 저감(즉, 주행속도의 감소)과 전기에너지의 발전을 동시에 구현한다.
이러한 방식의 제동방법을 회생제동(regenerative braking)이라 하며, 회생제동시 전기에너지의 생성은 별도의 발전기 혹은 구동모터를 역구동시킴으로써 이루어질 수 있다.
한편, 연료전지 배터리 하이브리드 시스템(연료전지와 고전압 배터리 채용)이 탑재된 전기자동차에서 종래기술에 따른 회생제동 과정을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 차량의 회생제동시에 토크 신호 전달상태를 도시한 도면으로서, PCU(1)는 차속(모터 회전수로부터 계산), 브레이크 페달의 페달각(이하, '브레이크 페달각'으로 칭함), 시프트 기어의 변속단(PRND) 신호를 입력받게 되어 있다.
이에 PCU(1)는 첨부한 도 2에 나타낸 바와 같이 입력된 브레이크 페달각 신호(이하, '브레이크 신호'라 칭함)(0V ~ 5V)를 AD 변환 및 캘리브레이션하고, 캘리브레이션된 브레이크 신호(0% ~ 100%)에 차속에 따른 스케일 값을 곱해서(차속에 따른 맵 처리) 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 MCU(2)로 전송하게 된다.
그리고, MCU(2)는 회생제동시에 최대전압임계치를 초과하게 되면 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같은 약계자 제어를 통해 회생제동량을 감소시켜 시스템의 안정성을 확보하게 된다.
그러나, 종래의 회생제동 과정에 따르면 시스템의 측정 오차에 의한 불안정 요소가 존재하고, 모델링 에러 존재시에 시스템의 셧다운 발생으로 회생제동량을 극대화하는데 문제가 있었다.
또한 응답 특성이 빠르지 못한 점 역시 개선이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 피드포워드 제어기와 피드백 제어기를 동시에 사용하여 실시간으로 배터리의 최대 충전이 가능한 회생제동 토크를 산출하도록 함으로써, 피드포워드 제어기의 사용에 따른 빠른 응답 특성을 얻을 수 있고, 피드백 제어기를 통한 시스템의 측정 오차에 의한 불안정 요소를 제거할 수 있게 되며, 피드포워드 제어기 및 피드백 제어기의 동시 사용으로 시스템 모델링 에러 존재시에도 시스템 셧다운 없이 회생제동량을 극대화할 수 있는 전기자동차의 회생제동 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 현재의 차속과 브레이크 페달각, 변속단 신호를 토대로 운전자 의지가 반영된 회생제동 토크 생성값을 산출하는 단계와; 피드포워드 제어기가 상기 회생제동 토크 생성값과 현재의 차속 및 배터리 최대 충전 파워값을 토대로 최대 회생제동 토크 추출맵을 통해 최대 회생제동 가능 토크를 산출하는 단계와; 피드백 제어기가 상기 피드포워드 제어기에서 발생하는 시스템 모델링 에러를 제거하기 위한 보정계수를 산출하고, 산출된 보정계수를 이용하여 상기 최대 회생제동 가능 토크를 보정하는 단계와; 보정된 토크값을 고전압 배터리의 최대 충전이 가능한 최종 회생제동 토크값으로 사용하여 회생제동을 실시하는 단계;를 포함하는 전기자동차의 회생제동 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 보정계수의 산출은, HDC 입력단 및 출력단의 전류 제한값, HDC 입력단 및 출력단의 전압 제한값, HDC 입력단 및 출력단의 전류 측정값, 그리고 HDC 입력단 및 출력단의 전압 측정값을 모니터링하여 모니터링되는 상기 값들을 이용해 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 보정계수의 산출은, 상기 HDC 출력단 전류 측정값과 HDC 출력단 전류 제한값의 오차, 상기 HDC 입력단 전류 측정값과 HDC 입력단 전류 제한값의 오차, 상기 HDC 출력단 전압 측정값과 HDC 출력단 전압 제한값의 오차, 상기 HDC 입력단 전압 측정값과 HDC 입력단 전압 제한값의 오차를 각각 계산하여 각각의 맵을 통해 각 오차에 따른 보정계수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 연료전지 배터리 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도로서, 고전압 DC-DC 컨버터(High Voltage DC-DC Converter, HV DCDC, 이하, 'HDC'라 칭함) 입력단의 전류/전압, HDC 출력단의 전류/전압 측정을 보여주고 있다.
첨부한 도 5는 연료전지 배터리 하이브리드 차량의 회생제동시에 본 발명에 따른 토크 신호 전달상태를 도시한 도면으로서, VCU(10)와 PCU(20), MCU(30) 간에 이루어지는 회생제동 토크 신호 전달방식을 보여주고 있다.
또한 첨부한 도 6은 본 발명에 따른 제어 알고리즘을 도시한 도면으로서, 이는 본 발명에서 사용하는 피드포워드 제어와 피드백 제어에 대한 제어 알고리즘을 도시한 개략도이며, 피드포워드 제어와 피드백 제어를 통한 보상된 최대 회생제동 가능 토크의 계산 알고리즘을 나타낸 것이다.
또한 첨부한 도 7은 본 발명에서 피드포워드 제어기와 피드백 제어기의 신호 입출력상태를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 피드포워드 제어기가 수행하는 토크 계산 과정의 순서도를, 도 9는 본 발명의 피드백 제어기가 수행하는 보정계수 계산 과정의 순서도를 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 회생제동 토크 생성, 전달 및 발생 신호 흐름을 종래와 달리 개선한 것으로, 피드포워드(feedforward) 제어기(21)와 피드백(feedback) 제어기(25)를 동시에 사용함으로써, 실시간으로 고전압 배터리의 최대 충전이 가능한 회생제동 토크를 산출하게 된다.
이 중에서 상기 피드포워드 제어기(21)에서는 현 차속과 배터리 최대 충전 가능 파워량을 토대로 실시간으로 최대 충전 가능 회생제동 토크를 계산하게 된다.
또한 상기 피드백 제어기(25)에서는 HDC 입/출력단에서 측정된 전류값 및 전압값(도 4 참조)을 실시간으로 입력받아 피드포워드 제어기(21)에서 발생하는 시스템 모델링 에러를 제거하기 위한 보정계수를 산출하고, 이 보정계수를 이용하여 시스템이 셧다운되지 않도록 MCU(30)로 입력되는 최종 토크량을 제어하게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 제어 과정을 좀더 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 5에 나타낸 바와 같이, 차량 제어기인 VCU(10)는 현재의 차속과 브레이크 페달의 페달각(이하, '브레이크 페달각'으로 칭함), 시프트 기어의 변속단(PRND) 신호를 입력받게 되어 있고, 이를 토대로 운전자 의지가 반영된 회생제동 토크값(이하, 'VCU 회생제동 토크 생성값'이라 함)을 산출(브레이크 페달각으로부터 맵을 통해 토크값 산출)하여 동력분배제어기, 즉 PCU(20)로 전달하게 된다.
이에 PCU(20)에서는 도 5에 나타낸 바와 같이 VCU(10)로부터 전달된 VCU 회생제동 토크 생성값을 현재의 차속 및 배터리 상태에 따라 조정하여 조정된 회생제동 토크값을 MCU(30)로 전달하게 된다.
이러한 PCU(10) 내 회생제동 토크값 산출은 피드포워드 제어기(21)와 피드백 제어기(25)에 의해 수행되며, 이를 도 6 ~ 도 9를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 피드포워드 제어기(21)는 VCU 회생제동 토크 생성값과 현재의 차속 및 배터리 최대 충전 파워값을 입력받아 이를 토대로 미리 설정된 최대 회생제동 토크 추출맵(22)을 통해 최대 회생제동 가능 토크(Tm)를 산출하게 된다.
여기서, 피드포워드 제어기(21)는 VCU 회생제동 토크 생성값과 현재의 차속으로부터 최대 회생제동 가능 파워값을 계산하는 과정, 배터리 최대 충전 가능량 제한, 계산된 회생제동 파워값에 해당하는 토크값을 계산하는 과정을 수행하게 된다(도 6 ~ 도 8 참조).
또한 피드백 제어기(25)는 HDC 입력단 및 출력단의 전류 제한값, HDC 입력단 및 출력단의 전압 제한값, HDC 입력단 및 출력단의 전류 측정값, 그리고 HDC 입력단 및 출력단의 전압 측정값을 실시간으로 모니터링하고, 이들을 토대로 미리 설정된 맵(26,27,28,29)을 통해 피드포워드 제어기(21)에서 발생하는 시스템 모델링 에러를 제거하기 위한 보정계수(η1,η2,η3,η4)를 산출한 뒤, 산출된 보정계수를 이용하여 MCU(30)로 입력되는 최종 토크량을 조절하게 된다.
이때, 피드백 제어기(25)는, 도 9에 나타낸 바와 같이, HDC 출력단 전류 측정값과 HDC 출력단 전류 제한값의 오차1을 계산하고, 해당 맵(26)을 통해 오차1에 해당하는 보정계수 η1을 계산한다.
또한 HDC 입력단 전류 측정값과 HDC 입력단 전류 제한값의 오차2, HDC 출력단 전압 측정값과 HDC 출력단 전압 제한값의 오차3, HDC 입력단 전압 측정값과 HDC 입력단 전압 제한값의 오차4를 각각 계산하고, 각각의 맵(27,28,29)을 통해 오차2, 오차3, 오차4에 해당하는 보정계수 η2, η3, η4를 계산한다.
그리고, 이렇게 계산된 보정계수 η1, η2, η3, η4를 피드포워드 제어기(21)에서 계산된 최대 회생제동 가능 토크(Tm)에 차례로 곱하여 보정된 최대 회생제동 가능 토크(Tc)를 산출한 후 이를 고전압 배터리의 최대 충전이 가능한 최종의 회생제동 토크값으로 MCU(30)에 전달하게 된다(도 6 및 도 7 참조).
이와 같이 하여, MCU(30)는 피드백 제어기(26)로부터 전달된 최종 회생제동 토크값(Tc)을 입력 토크로 참조하여 회생제동을 실시하게 된다(도 5 및 도 6 참조).
첨부한 도 10은 PCU에 의해 회생제동 토크가 조절되는 예를 나타낸 도면으로, 피드백 제어기에 의해 HDC 입력 전류가 임계치를 넘어가자 피드백 제어기에 의해 최종 회생제동 토크를 줄이는 것을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기자동차의 회생제동 제어 방법에 의하면, 피드포워드 제어기와 피드백 제어기를 동시에 사용하여 실시간으로 배터리의 최대 충전이 가능한 회생제동 토크를 산출하도록 함으로써, 다음과 같은 장점이 있게 된다.
1) 피드포워드 제어기를 사용하여 빠른 응답 특성을 얻을 수 있게 된다.
2) 피드백 제어기를 사용하여 시스템의 측정 오차에 의한 불안정 요소를 제거할 수 있게 된다.
3) 피드포워드 제어기 및 피드백 제어기를 동시에 사용하여 시스템 모델링 에러 존재시에도 시스템 셧다운 없이 회생제동량을 극대화할 수 있게 된다.
Claims (3)
- 현재의 차속과 브레이크 페달각, 변속단 신호를 토대로 회생제동 토크 생성값을 산출하는 단계와;피드포워드 제어기가 상기 회생제동 토크 생성값과 현재의 차속 및 배터리 최대 충전 파워값을 토대로 최대 회생제동 토크 추출맵을 통해 최대 회생제동 가능 토크를 산출하는 단계와;피드백 제어기가 상기 피드포워드 제어기에서 발생하는 시스템 모델링 에러를 제거하기 위한 보정계수를 산출하고, 산출된 보정계수를 이용하여 상기 최대 회생제동 가능 토크를 보정하는 단계와;보정된 토크값을 고전압 배터리의 최대 충전이 가능한 최종 회생제동 토크값으로 사용하여 회생제동을 실시하는 단계;를 포함하는 전기자동차의 회생제동 제어 방법
- 청구항 1에 있어서,상기 보정계수의 산출은, HDC 입력단 및 출력단의 전류 제한값, HDC 입력단 및 출력단의 전압 제한값, HDC 입력단 및 출력단의 전류 측정값, 그리고 HDC 입력단 및 출력단의 전압 측정값을 모니터링하여 모니터링되는 상기 값들을 이용해 산출하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어 방법.
- 청구항 2에 있어서,상기 보정계수의 산출은, 상기 HDC 출력단 전류 측정값과 HDC 출력단 전류 제한값의 오차, 상기 HDC 입력단 전류 측정값과 HDC 입력단 전류 제한값의 오차, 상기 HDC 출력단 전압 측정값과 HDC 출력단 전압 제한값의 오차, 상기 HDC 입력단 전압 측정값과 HDC 입력단 전압 제한값의 오차를 각각 계산하여 각각의 맵을 통해 각 오차에 따른 보정계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어 방법.
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