KR101021130B1 - 마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법 - Google Patents

마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터제너레이터를 이용하여 엔진토크를 보조하고, 냉각팬 구동을 위한 냉각팬 모터에 전원을 공급함으로써, 출력성능 및 연비를 개선할 수 있도록 한 마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 모터제너레이터를 구동하기 위한 인버터로 구성된 제1모터제어부; 냉각팬 모터를 구동하기 위한 인버터로 구성된 제2모터제어부; 상기 모터제너레이터와 냉각팬 모터를 구동하는 경우에 배터리로부터 에너지를 공급받아 상기 제1모터제어부와 제2모터제어부에 전원을 공급하고, 엔진 구동시 모터제너레이터로부터 발전된 전력을 배터리에 저장하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 제어장치를 제공한다.
Figure R1020080083212
냉각팬, 모터제너레이터(MG), 냉각팬 모터(CFM), VCU(Vehicle Control Unit)

Description

마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법{Control apparatus and method for mild hybrid vehicle}
본 발명은 마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터제너레이터를 이용하여 엔진토크를 보조하고, 냉각팬 구동을 위한 냉각팬 모터에 전원을 공급함으로써, 출력성능 및 연비를 개선할 수 있도록 한 마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 엔진과 모터의 조합으로 주행이 이루어지는 미래형 차량으로서, 그 구동 방식에 따라 병렬형, 직렬형, 복합형 등으로 구분되며, 또한 엔진과 구동모터의 파워 분담비에 따라 마일드(Mild), 미들(Middle), 하드(Hard) 타입으로 분류된다.
엔진의 용량에 비해 구동모터의 용량이 큰 형태를 하드 타입, 엔진의 용량에 비해 모터의 용량이 적은 형태를 마일드 타입 하이브리드 시스템이라 하며, 본 발명은 마일드 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
좀 더 상세하게는, 마일드 하이브리드 시스템은 구동모터만으로 차량이 구동하는 주행모드는 없지만, 차량의 정지상태에서 가속시, 또는 차량 주행중 추월 가속시에 순간적으로 높은 토크를 얻기 위해 엔진보다 응답성이 빠른 모터를 사용하여 주행에 필요한 토크를 공급하는 시스템을 말한다.
현재, 연비 향상 및 주행 편의성을 제공할 수 있는 마일드 하이브리드 시스템을 일반 버스에도 적용하는 연구개발이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 아이들 스탑 이후 재시동시 모터제너레이터를 이용하여 엔진 시동을 걸고, 출발후 가속시 모터제너레이터의 회전토크를 이용하여 엔진토크를 보조할 수 있도록 제어하고, 차량의 비가속모드에서는 바이패스 스위치를 온시켜 모터제너레이터의 발전전압을 냉각팬 모터에 공급하고, 차량의 가속모드에서는 엔진에 부담을 주지 않도록 바이패스 스위치를 오프시킨 후 배터리로만 냉각팬 모터를 구동함으로써, 차량의 출력성능 및 연비를 개선할 수 있도록 한 마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적은 본 발명의 실시예에 따라 마일드 하이브리드 차량의 제어장치에 있어서,
모터제너레이터를 구동하기 위한 인버터로 구성된 제1모터제어부; 냉각팬 모터를 구동하기 위한 인버터로 구성된 제2모터제어부; 상기 모터제너레이터와 냉각팬 모터를 구동하는 경우에 배터리로부터 에너지를 공급받아 상기 제1모터제어부와 제2모터제어부에 전원을 공급하고, 엔진 구동시 모터제너레이터로부터 발전된 전력을 배터리에 저장하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 제어장치에 의해 달성된다.
본 발명의 실시예에 따라, 상기 제1모터제어부와 DC/DC 컨버터 사이에는 바이패스 스위치를 설치하고, 상기 바이패스 스위치는 엔진속도 증가시 오프되어 배터리로 냉각팬 모터를 구동하고, 모터제너레이터에 의한 회생제동시 턴 온되어 모터제너레이터의 발전에너지로 냉각팬 모터를 구동한다.
또한, 상기 모터제너레이터를 구동하기 위한 전력모듈소자와, 상기 냉각팬 모터를 구동하기 위한 전력모듈소자는 방열판을 기준으로 상부와 하부에 분할하여 장착된다.
한편, 상기와 같은 목적은 본 발명의 실시예에 따라 마일드 하이브리드 차량의 제어방법에 있어서,
아이들 스탑 이후 재시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 재시동 조건을 만족하는 경우 모터제너레이터에 의한 엔진시동을 수행하는 단계; 상기 엔진시동이 성공하였는지를 판단하는 단계; 상기 엔진시동이 성공한 경우 엑셀페달센서를 통해 출발후 가속상태를 판단하는 단계; 및 상기 가속상태인 경우 모터제너레이터를 구동하여 엔진 RPM이 일정 RPM에 도달할 때까지 엔진토크를 보조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 제어방법에 의해 달성된다.
본 발명의 실시예에 따라, 상기 엔진시동이 성공한 경우 냉각수온도가 기준온도 이상인지 여부를 판단단계; 상기 냉각수온도가 기준온도 이상인 경우 냉각팬 구동을 위한 냉각팬 모터를 구동하는 단계; 상기 냉각팬 모터를 구동시 냉각팬 모터의 회전 요구속도가 기준값을 초과하는지를 판단하는 단계; 및 상기 냉각팬 모터 의 회전 요구속도가 기준값을 초과하는 경우 배터리 또는 모터제너레이터로부터 전원을 인가받아 냉각팬 모터가 작동되는 단계를 포함한다.
또한, 상기 엔진 RPM이 일정 RPM 이상인 경우이거나, 냉각팬 모터의 회전 요구속도가 기준값을 초과하는 경우 엑셀페달센서를 통해 차량이 비가속모드인지를 판단하는 단계; 상기 차량이 비가속모드인 경우 모터제너레이터가 발전기모드로 진입하는 단계; 상기 모터제너레이터를 구동하기 위한 제1모터제어부와 DC/DC 컨버터 사이에 설치된 바이패스 스위치를 온시켜 모터제너레이터의 발전전압을 냉각팬 모터에 공급하는 단계; 및 상기 차량이 가속모드인 경우 바이패스 스위치를 오프시킨 다음, DC/DC 컨버터를 통해 배터리 전압을 승압하여 냉각팬 모터에 전원을 공급하는 단계를 포함한다.
이에 따라 본 발명에 따른 마일드 하이브리드 차량의 제어장치 및 방법에 의하면, 아이들 스탑 이후 재시동시 모터제너레이터를 이용하여 엔진 시동을 걸고, 출발후 가속시 모터제너레이터의 회전토크를 이용하여 엔진토크를 보조할 수 있도록 제어함으로써, 출력성능 및 연비를 개선할 수 있다.
또한, 차량의 비가속모드에서는 바이패스 스위치를 온시켜 모터제너레이터의 발전전압을 냉각팬 모터에 공급하고, 차량의 가속모드에서는 엔진에 부담을 주지 않도록 바이패스 스위치를 오프시킨 후 배터리로만 냉각팬 모터를 구동함으로써, 기존의 냉각팬 모터의 전력손실을 방지하고, 모터 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량의 제어장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1에서 본 실시예에 따른 HCU의 구성을 더욱 상세하게 나타내는 회로도이고, 도 3은 도 1에서 HCU의 내부구성을 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량 모드의 천이도이다.
HCU(13)는 MG(11)(Motor and Generator)와 CFM(12)(Cooling Fan Motor)을 구동하기 위해 2개의 제1모터제어부(15) 및 제2모터제어부(16)와, 배터리(14) 전압관리부와 전압부스트 기능을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터(17)로 구성되어 있다.
도 1에서 SW1(이하, '바이패스 스위치(18)(Bypass switch)'라 함)은 엔진(10)에서 발전한 전력을 사용하지 않고 배터리(14)에 축적된 전력을 사용하여 CFM(12)을 구동할 경우에 MG(11)에서 발전한 전력을 차단하기 위한 스위치(18)이다.
제1모터제어부(15)는 엔진(10)의 크랭크 축에 벨트로 3:1의 비로 연결되어 있는 8kW급 멀티레이어 플렉스(Multi-Layer Flex)방식의 회전자를 갖는 IPM(Interior Permanent Magnet Motor)을 구동하기 위한 인버터로 구성되어 있다.
제2모터제어부(16)는 4kW급 IPM을 구동하기 위한 인버터로 구성되어 있다. 양방향 DC/DC 컨버터(17)는 MG(11)와 CFM(12)을 기동하는 경우에는 배터리(14)로부터 에너지를 공급받아 제1모터제어부(15)와 제2모터제어부(16)에 각각 전력을 공급 하고, 엔진(10)이 구동되는 차량 주행구간에서는 MG(11)로부터 발전된 전력을 공급받아 배터리(14) SOC(State Of Charge)를 관리하는 BMS 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량의 제어장치의 작동상태를 나타내는 회로도이다.
도 2에서 본 발명은 배터리(14)로부터 에너지를 공급받아 DC/DC 컨버터(17)를 거쳐 MG(11)와 CFM(12)을 구동한다. 상기 CFM(12) 구동시 엔진(10)에 부담을 주지 않기 위해서 바이패스 스위치(18)를 오프하여 배터리(14)로만 동작시키다가 MG(11)로부터 회생되는 에너지가 발생하면 바이패스 스위치(18)를 턴온하여 CFM(12)과 배터리(14)로 공급한다.
이때, DC/DC 컨버터(17)는 양방향으로 동작을 하고 필요에 따라 승압, 강압 동작을 하며, 제1모터제어부(15)와 제2모터제어부(16)의 각 소자는 용량에 따라 4병렬, 2병렬로 구성하여 사용하고, DC/DC 컨버터(17)는 2병렬구조를 가지고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 HCU(13)는 전력모듈소자(133)를 방열판(132)을 기준으로 양면으로 분할하여 장착한다. 이때, 방열판(132)을 기준으로 상부에 장착된 전력모듈소자(133)는 MG(11)를 구동하기 위한 소자이고, 방열판(132)의 하부에 장착된 전력모듈소자(133)는 CFM(12)을 구동하기 위한 소자이다. 이와 같이 전력모듈소자(133)를 방열판(132)을 기준으로 양면으로 분할하는 경우에는 전력밀도를 향상시키고 소형화가 가능한 장점이 있다.
이때, 상기 전력모듈소자(133)에는 각각 콘덴서(134)가 장착되어 있고, 외함(137) 일측에는 케이블(139)이 삽입될 수 있도록 관통홀이 형성되며, 관통홀 주 위에 고무(138)가 삽입되고, 케이블(139)의 끝단에 설치된 링 터미널(136)은 절연단자대(135)에 연결되어 있다.
상기 HCU(13)는 다음과 같은 기능을 한다.
1. MG(11)에 의한 엔진(10) 시동 : 아이들 스탑 이후 MG(11)를 이용하여 엔진(10)을 시동한다. 이때, 엔진(10) RPM이 기준 RPM(예, 400RPM) 이상 회전시 기동 성공으로 판단한다.
2. 런치(Launch) 토크 보조 : 엔진(10) 가속시 MG 모터 구동으로 엔진 토크를 보조한다. 이때 토크 보조구간은 아이들 RPM ~ 800RPM이다.
3. MG에 의한 회생제동 : 1) 감속 구간에서 MG(11)로부터 발전되는 전력을 배터리(14)에 전기에너지로 저장하여 제동성능을 향상시키게 된다.
2) CFM(12)이 구동되는 경우 CFM(12)에 전기에너지를 공급한다.
4. CFM(12)에 의한 쿨링팬 작동 : 기존에는 엔진의 냉각수 온도가 증가함에 따라 냉각팬 모터의 속도를 일정한 기울기 값에 의해 비례하여 증가시켰으나(도 참조), 불필요한 전력손실이 발생하였다. 도 8은 본 실시예에 따른 PI 제어를 나타내는 도면이다.
그러나, 본 발명은 CFM(12)을 PI 제어를 이용하여 냉각팬의 속도를 최소화시키고 온도 에러를 0에 가깝도록 유지시킨다. 또한, 상기 냉각팬의 속도를 최소하고, 설정온도와 엔진온도의 차(여기서는 '온도에러'를 의미함)가 커질 때 엔진온도가 설정온도에 수렴하도록 엔진온도를 제어함으로써, 냉각팬 구동시 불필요한 전력손실을 방지할 수 있다.
그리고, 냉각팬의 전압공급원으로 배터리(14)와 MG(11)에서 발전한 에너지를 사용할 수 있으나, 배터리(14) SOC가 설정 SOC값 이상인 경우에는 배터리(14)를 우선적으로 사용하고, 배터리(14) SOC가 설정 SOC값 미만인 경우에는 MG(11)에서 발전한 에너지를 직접 공급한다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량의 제어방법을 나타내면 다음과 같다.
도 5는 본 발명읠 실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
공회전 정지조건을 만족하는 경우 엔진(10)을 정지시키고(아이들 스탑), 재시동조건을 만족하는 경우 MG(11)에 의한 엔진(10)을 시동한다. 이때 바이패스 스위치(18)를 온시켜 배터리(14)로부터 MG(11)에 전원을 공급한다.
그다음, 상기 MG(11)에 의한 엔진(10) 시동의 성공여부를 판단하는데, 예를들어 엔진 RPM이 400RPM 이상되면 시동이 성공된 것을 판단한다.
상기 엔진시동이 성공된 것으로 판단되면, 엑셀페달센서를 통해 출발 후 가속상태를 감지한다. 이때 가속상태를 판단하여 가속상태인 경우에는 MG(11)를 엔진 RPM이 일정 RPM(예, 800RPM)에 도달할 때까지 기동하여 차량의 급출발을 보조한다. 즉, MG(11) 회전토크를 이용하여 엔진토크를 보조한다. 엔진 RPM이 일정 RPM에 도달한 이후에는 MG(11)는 엔진토크보조에 관여하지 않고 구동을 멈춘다.
한편, 냉각수온도가 기준온도 이상인지 여부를 판단하여, 기준온도 이상인 경우에는 냉각팬 구동을 위한 CFM(12)을 작동시킨다. 이때, CFM(12) 회전 요구속도 가 기준값 이하인 경우에는 S59~S60을 수행한다.
이후, 차량이 비가속모드, 즉 엑셀레이터를 밟지 않은 상태 인지를 판단하여, 비가속모드인 경우 MG(11)로 하여금 발전기모드로 진입하도록 제어하고, 바이패스 스위치(18)를 온시켜 MG(11)의 발전전압을 CFM(12)에 공급한다.
만약 차량이 가속모드인 경우에는 바이패스 스위치(18)를 오프시킨 다음, DC/DC 컨버터(17)를 제어하여 배터리(14)의 전압을 승압(예, 24V->40~50V)하여 냉각팬 구동을 위한 CFM(12)을 작동한다. 그리고, 상기 CFM(12) 회전 요구속도가 기준값(RPM) 이상인 경우에는 S62~S64 또는 S62, S65~66을 수행한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명에 실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량의 제어장치를 나타내는 구성도,
도 2는 도 1에서 본 실시예에 따른 HCU의 구성을 더욱 상세하게 나타내는 회로도,
도 3은 도 1에서 HCU의 내부구성을 나타내는 개략도,
도 4는 본 실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량 모드의 천이도,
도 5는 본 발명읠 실시예에 따른 마일드 하이브리드 차량의 제어방법을 나타내는 순서도,
도 6은 냉각팬 모터에 의해 냉각팬 작동을 나타내는 블럭도,
도 7은 종래기술에 의한 냉각팬 제어방법을 나타내는 그래프,
도 8은 본 실시예에 따른 PI 제어를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 11 : 모터제너레이터
12 : 냉각팬 모터 13 : HCU
14 : 배터리 15 : 제1모터제어부
16 : 제2모터제어부 17 : DC/DC 컨버터
18 : 바이패스 스위치 19 : 필터 커패시터
131 : 버스바 132 : 방열판
133 : 전력모듈소자 134 : 콘덴서
135 : 절연단자대 136 : 링 터미널
137 : 외함 138 : 고무
139 : 케이블

Claims (6)

  1. 모터제너레이터를 구동하기 위한 인버터로 구성된 제1모터제어부와, 냉각팬 모터를 구동하기 위한 인버터로 구성된 제2모터제어부와, 모터제너레이터와 냉각팬 모터를 구동하는 경우에 배터리로부터 에너지를 공급받아 상기 제1모터제어부와 제2모터제어부에 전원을 공급하고 엔진 구동시 모터제너레이터로부터 발전된 전력을 배터리에 저장하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 마일드 하이브리드 차량의 제어장치에 있어서,
    상기 모터제너레이터를 구동하기 위한 제1모터제어부의 전력모듈소자와, 상기 냉각팬 모터를 구동하기 위한 제2모터제어부의 전력모듈소자는 방열판을 기준으로 상부와 하부에 분할하여 장착되고, 제1모터제어부와 DC-DC 컨버터간에는 바이패스 스위치가 장착된 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 제어장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 아이들 스탑 이후 재시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계와, 재시동 조건을 만족하는 경우 모터제너레이터에 의한 엔진시동을 수행하는 단계와, 엔진시동이 성공하였는지를 판단하는 단계와, 엔진시동이 성공한 경우 엑셀페달센서를 통해 출발후 가속상태를 판단하는 단계와, 가속상태인 경우 모터제너레이터를 구동하여 엔진 RPM이 일정 RPM에 도달할 때까지 엔진토크를 보조하는 단계를 포함하는 마일드 하이브리드 차량의 제어방법에 있어서,
    상기 엔진시동이 성공한 경우 냉각수온도가 기준온도 이상인지 여부를 판단단계;
    상기 냉각수온도가 기준온도 이상인 경우 냉각팬 구동을 위한 냉각팬 모터를 구동하는 단계;
    상기 냉각팬 모터를 구동시 냉각팬 모터의 회전 요구속도가 기준값을 초과하는지를 판단하는 단계; 및
    상기 냉각팬 모터의 회전 요구속도가 기준값을 초과하는 경우 배터리 또는 모터제너레이터로부터 전원을 인가받아 냉각팬 모터가 작동되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 엔진 RPM이 일정 RPM 이상인 경우이거나, 냉각팬 모터의 회전 요구속도가 기준값을 초과하는 경우 엑셀페달센서를 통해 차량이 비가속모드인지를 판단하는 단계;
    상기 차량이 비가속모드인 경우 모터제너레이터가 발전기모드로 진입하는 단계;
    상기 모터제너레이터를 구동하기 위한 제1모터제어부와 DC/DC 컨버터 사이에 설치된 바이패스 스위치를 온시켜 모터제너레이터의 발전전압을 냉각팬 모터에 공급하는 단계; 및
    상기 차량이 가속모드인 경우 바이패스 스위치를 오프시킨 다음, DC/DC 컨버터를 통해 배터리 전압을 승압하여 냉각팬 모터에 전원을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 차량의 제어방법.
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