KR101511960B1 - 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법 - Google Patents

Abstract

연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 연료펌프 모터의 구동에 의해 연료펌프로부터 펌핑되어 연료공급라인을 통해 고압펌프로 공급되는 연료의 압력을 감지하는 압력감지부, 차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 연료압력과 상기 압력감지부의 감지신호에 기초해서 모터 출력을 목표 연료압력에 근사화시켜 안정화하도록 모터의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부 및 상기 제어부의 제어신호에 기초해서 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하는 구성을 마련하여, 목표 연료 압력과 실제 연료압력에 따라 모터 출력을 조절함으로써, 빈번한 압력 상승 및 저하를 방지하여 연료압력을 안정화할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD FOR FUEL PUMP}

본 발명은 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 주행상태에 따라 엔진에 연료를 공급하는 연료펌프용 모터의 구동을 제어하는 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로, 가솔린이나 디젤, 가스 연료를 사용하는 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차에서 연료탱크에 저장되어 있는 연료는 연료펌프를 이용하여 엔진에 공급된다.

이때, 자동차의 속도 등을 고려하여 펌프의 회전 속도를 제어함으로써 엔진에 공급되는 연료의 양을 조절한다.

연료펌프를 구동시켜 주는 모터는 높은 효율과 장 수명 및 신뢰성 확보를 위하여 BLDC 모터(Brushless DC Motor)를 이용하며, 특히 센서가 없는(sensorless) BLDC 모터를 사용하는 것이 일반적이다.

최근에는 자동차의 연비를 향상시키기 위하여 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.

본 출원인은 연료펌프용 모터의 회전속도를 정밀하게 제어하여 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 연료펌프 모터 구동장치 기술을 대한민국 특허 등록번호 제10-0649355호(2006년 11월 27일 공고, 이하 '특허문헌 1'이라 함) 등에 개시하여 등록받은 바 있다.

특허문헌 1에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 전원부로부터 공급되는 자동차의 전원 전압을 직접적으로 스위칭하여 연료펌프 모터를 구동함에 따라, 설정된 회전 속도에 대한 모터의 응답성을 향상시켜 회전속도를 제어한다.

대한민국 특허 등록번호 제10-0649355호(2006년 11월 27일 공고)

그러나 특허문헌 1에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 ECU로부터 수신되는 PWM 제어신호의 듀티값을 나누어 입력받고, 입력된 듀티값에 따라 미리 설정된 속도로 모터를 구동한다.

즉, 특허문헌 1에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 차량의 엔진 RPM에 따른 ECU의 PWM 제어신호에 기초해서 연료펌프 모터의 구동을 제어함에 따라, 실제 엔진에서 필요로 하는 연료량을 공급하기 위해 연료라인의 연료압력을 정밀하게 제어하는데 한계가 있었다.

이에 따라, 특허문헌 1에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 연료펌프 모터의 불필요한 구동으로 인해 모터의 소비전력이 증가하고, 연료를 과다하게 펌핑하여 엔진에서 분사되고 남아 재순환되는 연료량이 증가함에 따라 차량의 연비가 저하되는 문제점이 있었다.

한편, 종래기술에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 초기 구동시 전원 인가 즉시 목표 압력 도달 시간을 최소화하기 위해 모터를 풀 구동시켜 연료를 공급함에 따라, 압력 상승(overshoot) 또는 압력 하강(undershoot)이 과다해지는 문제점이 있었다.

그리고 종래기술에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 실제 연료 압력이 저하되지 않는 구간에서 가속상태 감지신호의 기울기에 기초해서 모터 출력을 보상함에 따라 압력 상승이 과다해지는 문제점 있었다.

또 종래기술에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 연료 압력의 과도한 저하를 방지하기 위해 미리 설정된 설정 압력을 기준으로 해서 모터에 인가되는 최소 인가전압을 설정함에 따라, 설정 압력 이상인 경우에는 압력 저하 방지 효과가 감소하는 문제점이 있었다.

또한 종래기술에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 비례 적분 제어(proportional integral control) 과정에서 이득값 설정으로 압력 추종성이 매우 민감함에 따라 압력 변동이 심하고, 왜란에 취약한 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 목표 연료압력에 기초해서 모터 구동출력을 차등화하여 연료펌프 모터를 제어하는 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실제 연료 압력의 저하 여부를 판별하여 모터 출력을 보상함으로써 압력 상승을 방지할 수 있는 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 목표 압력에 기초해서 최소 인가 전압을 변경하여 모든 압력 영역에서 압력 저하를 방지할 수 있는 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 정상 상태 구간에서 민감도를 감소시켜 압력 안정성을 확보할 수 있는 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 연료펌프 모터의 구동에 의해 연료펌프로부터 펌핑되어 연료공급라인을 통해 고압펌프로 공급되는 연료의 압력을 감지하는 압력감지부, 차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 연료압력과 상기 압력감지부의 감지신호에 기초해서 모터 출력을 목표 연료압력에 근사화시켜 안정화하도록 모터의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부 및 상기 제어부의 제어신호에 기초해서 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료펌프 모터 구동방법은 차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 연료압력과 연료공급량을 통해 공급되는 실제 연료압력에 기초해서 실제 압력편차가 발생하는 경우에만 연료압력을 보상하도록 연료펌프 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법에 의하면, 목표 연료압력과 실제 연료압력에 따라 모터 출력을 조절함으로써, 빈번한 압력 상승 및 저하를 방지하여 연료압력을 안정화할 수 있다는 효과가 얻어진다.

즉, 본 발명에 의하면, 연료량 보상부를 이용해서 실제 연료 압력저하 발생 여부를 판단하고, 실제 연료 압력저하가 발생한 경우에만 모터 출력을 보상함으로써 빈번한 압력 상승을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 모터 출력 보상 후 설정시간 동안 연료량 보상 로직으로의 재진입을 금지함으로써, 과도한 연료압력 보상을 억제할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 의하면, 연료펌프의 모터 초기 구동시 초기 구동 조절부를 이용해서 목표 연료압력에 따라 모터 출력을 차등화해서 조절함에 따라 과도한 압력 상승 및 하강을 방지함으로써, 소모 전력을 최소화할 수 있다는 효과가 얻어진다.

특히, 본 발명에 의하면, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차의 연료공급 시스템에 적용되는 경우, 전기구동 모드와 엔진구동 모드 사이의 빈번한 모드 변경 발생시 초기 구동 로직이 자주 수행되는 것을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 전압 제한부를 이용해서 목표 연료압력에 따라 모터 출력의 최소 인가전압을 차등화하여 압력 저하를 최소화할 수 있다는 효과가 얻어진다.

한편, 본 발명에 의하면, 플러그인 하이브리드 자동차의 연료공급시스템에 적용되는 경우, 압력 추종 제어부를 이용해서 압력 제어의 민감도를 감소시켜 정상 상태 구간에서 연료압력의 흔들림을 최소화함으로써, 안정성을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치가 적용된 가솔린 직접분사 시스템의 블록 구성도,
도 2는 가속페달의 각도 변화에 따른 가속상태 감지부의 감지신호 특성 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치의 구성도,
도 4는 실제 연료압력과 목표 연료압력에 따른 연료량 보상부의 연료량 보상동작을 설명하는 그래프,
도 5는 연료량 보상부의 연료량 보상 동작에 의한 모터 출력을 측정한 파형 그래프,
도 6은 목표 연료압력에 따른 초기 구동 조절부의 모터 구동 출력 조절동작에 따라 출력되는 파형 그래프,
도 7은 목표 연료압력에 따른 전압 제한부의 최소 인가전압 제한 동작에 따라 출력되는 파형 그래프,
도 8은 정상 상태 구간에서 압력 추종 제어부의 압력 추종 제어동작에 따라 출력되는 파형 그래프,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치의 구동방법을 단계별로 설명하는 흐름도,
도 10은 도 9에 도시된 연료 펌프 모터 구동장치의 구동방법에 따른 모터 출력을 측정한 파형 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 예에서는 가솔린 직접분사 시스템에 적용되는 연료펌프 모터를 이용하여 설명하기로 한다.

그러나 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 가솔린 직접분사 시스템뿐만 아니라, 엘피아이 시스템이나 엘피디아이 시스템과 같이 액체 상태의 가스 연료를 엔진에 공급하는 가스 연료 공급시스템, 디젤 직접분사 시스템, 하이브리드 연료 공급시스템 및 플러그인 하이브리드 연료 공급시스템과 같이 다양한 연료 공급시스템에 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치가 적용된 가솔린 직접분사 시스템의 블록 구성도이고, 도 2는 가속페달의 각도 변화에 따른 가속상태 감지부의 감지신호 특성 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치가 적용된 가솔린 직접분사 시스템은 연료탱크에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프, 연료펌프에 의해 펌핑된 연료를 엔진의 고압펌프와 인젝터로 공급하는 연료공급라인, 엔진에서 분사되고 남은 연료를 다시 연료탱크로 리턴시키는 연료회수라인 및 연료회수라인을 통해 회수되는 연료의 압력을 미리 설정된 압력으로 유지하는 레귤레이터를 포함한다.

그리고 상기 가솔린 직접분사 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 주행 상태에 기초하여 엔진에 공급되는 연료의 목표압력을 산출하는 메인 제어부(10), 메인 제어부(10)와 통신을 수행하여 메인 제어부(10)로부터 수신된 목표압력과 연료공급라인(도면 미도시)에서 실제 감지된 실제 연료압력을 비교하고 비교결과에 따라 연료펌프(11)에 구비된 모터(12)의 구동속도를 제어하는 연료펌프 모터 구동장치(20) 및 연료펌프(11)에 의해 펌핑되어 공급되는 연료를 미리 설정된 고압으로 가압하는 고압펌프(13) 및 고압으로 가압된 연료를 엔진의 실린더 내부에 분사하는 인젝터(14) 및 차량의 가속상태를 감지하는 가속상태 감지부(15)를 포함할 수 있다.

가속상태 감지부(15)는 운전자의 가속페달 조작시 가속페달의 각도를 감지하는 가속페달센서(Acceleration Pedal Sensor)로 구비되고, 상기 가속페달센서는 가속페달의 각도를 감지한 가속상태 감지신호를 메인제어부(10)로 전달한다.

예를 들어, 가속상태 감지부(15)는 도 2에 도시된 바와 같이, 가속페달이 아이들(idel) 상태에서 파셜(patial) 상태로 조작되어 미리 설정된 상부 한계각도(upper threshold angle), 예컨대 30°를 초과하면 '하이' 신호를 출력한다.

반면, 가속상태 감지부(15)는 가속페달 조작이 중지되어 미리 설정된 하부 한계각도, 예컨대 20°미만이 되도록 파셜 상태에서 아이들 상태로 변경되면 '로우' 신호를 출력한다.

즉, 가속상태 감지부(15)의 감지신호는 히스테리시스 특성에 따른 출력값을 출력한다.

이러한 가솔린 직접분사 시스템에 적용되는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치의 구성을 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치(20)는 가속상태 감지신호의 기울기에 따라 연료 압력을 보상함에 따라 실제 연료 압력이 저하되지 않은 상태에서 모터 구동을 조절하는 경우에 발생하는 압력 저하를 방지하기 위해, 실제 연료압력이 목표 연료압력 대비 미리 설정된 설정압력차 이하일 경우에 미리 설정된 설정비율만큼만 모터 출력을 보상하도록 제어한다.

그리고 연료펌프 모터 구동장치(20)는 초기 구동시 목표 연료압력 도달 시간을 최소화하기 위해 연료펌프 모터를 풀 구동하는 경우에 과다하게 발생하는 압력 상승 및 저하를 방지하기 위해, 목표 연료압력에 따라 연료펌프의 출력을 조절하도록 모터 구동을 제어한다.

또 연료펌프 모터 구동장치(20)는 연료 압력의 과도한 저하 및 정류자 부식을 방지하기 위해 목표 연료압력이 미리 설정된 기준압력을 기준으로 모터에 인가되는 최소 인가 전압을 제한하는 경우에 기준전압 이상에서 압력저하 방지 효과가 감소하는 것을 방지하기 위해, 목표 연료압력에 따라 모터에 인가되는 최소 인가 전압을 차등화하여 압력 저하를 최소화하도록 제어한다.

또한 연료펌프 모터 구동장치(20)는 압력 제어의 빠른 응답성을 위해 과도한 비례 적분 제어 기간(term)을 설정하는 대신에, 목표 연료압력과 실제 연료압력의 압력편차가 미리 설정된 설정 압력편차 미만일 경우 비례 제어를 미수행하도록 비례 제어 기간을 '0'으로 입력하고, 적분 제어 기간을 증가시켜 압력 저하 시 적분 제어로 압력을 추종하도록 제어한다.

이를 위해, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 연료펌프 모터(12)의 구동에 의해 연료펌프(11)로부터 펌핑되어 연료공급라인을 통해 고압펌프(13)로 공급되는 연료의 압력을 감지하는 압력감지부(22), 차량의 메인 제어부(10)로부터 수신된 목표 연료압력과 압력감지부(22)의 감지신호에 기초해서 모터(12)를 구동하도록 제어신호를 발생하는 제어부(21) 및 제어부(21)의 제어신호에 따라 모터(12)를 구동하는 모터 구동부(23)를 포함할 수 있다.

이와 함께, 연료펌프 모터 구동장치(20)는 배터리(16)로부터 공급된 구동전원을 안정적으로 유지하고 과전압을 차단하여 각 장치를 보호하는 과전압 보호부(24), 차량의 메인 제어부(10)와 제어부(21) 사이에서 CAN 통신을 수행하는 통신수단인 CAN 송수신기(25) 및 CAN 송수신기(25)의 동작을 제어하는 CAN 컨트롤러(26)를 포함할 수 있다.

제어부(21)는 CAN 송수신기(25)를 통해 메인 제어부(10)로부터 수신된 목표압력과 압력감지부(22)에서 감지된 실제 연료압력을 비교하고, 비교 결과에 따라 PWM 제어신호의 듀티값을 산출해서 산출된 듀티값의 PWM 제어신호를 이용해 모터 구동부(23)의 구동을 제어하는 연료량 보상부(40)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 4는 실제 연료압력과 목표 연료압력에 따른 연료량 보상부의 연료량 보상동작을 설명하는 그래프이다.

연료량 보상부(40)는 도 4에 도시된 바와 같이, 압력감지부(22)에서 감지된 실제 연료압력이 CAN 송수신기(25)를 통해 메인 제어부(10)로부터 수신된 목표 연료압력 대비 미리 설정된 설정압력차, 예컨대 약 20㎪(=0.2bar) 이상일 경우에 미리 설정된 설정출력, 예컨대 약 7%만큼 모터 출력을 보상한다.

이와 함께, 연료량 보상부(40)는 모터 출력 보상 후 미리 설정된 설정시간, 예컨대 약 0.5초 동안 연료량 보상 로직으로의 재진입을 금지할 수 있다.

도 5는 연료량 보상부의 연료량 보상 동작에 의한 모터 출력을 측정한 파형 그래프이다.

본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이, 연료량 보상부를 이용해서 실제 연료 압력저하 발생 여부를 판단하고, 실제 연료 압력저하가 발생한 경우에만 모터 출력을 보상함으로써 빈번한 압력 상승을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 모터 출력 보상 후 설정시간 동안 연료량 보상 로직으로의 재진입을 금지함으로써, 과도한 연료압력 보상을 억제할 수 있다.

한편, 제어부(21)는 연료펌프(11)의 초기 구동시 미리 설정된 초기 구동시간 동안 목표 연료압력에 따라 모터 출력을 차등화해서 조절하는 초기 구동 조절부(41)를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 초기 구동 조절부(41)는 초기 구동시간으로 설정된 약 0.2초 동안 목표 연료압력을 하기의 표 1에 기재된 두 가지 목표 연료압력 값 사이를 보간해서 산출되는 요구 모터 출력 전압값에 따라 모터(12)의 출력을 조절한다.

	350㎪	500㎪
요구 모터 출력 전압	7.7V	9.2V

이와 같은 보간 과정은 하기의 수학식 1과 같이 정리될 수 있다.

[수학식 1]

모터 출력(%)= (목표 연료압력+X)/입력전압*100

여기서, X는 실험결과에 따라 설정되는 변환 상수로서, 본 실시 예에서는 약 420으로 설정될 수 있다.

즉, 초기 구동 조절부(41)는 목표 연료압력을 수학식 1에 대입해서 산출되는 모터 출력에 따라 차등화하여 모터(12)의 출력을 조절할 수 있다.

여기서, 초기 구동 조절부(41)는 연료펌프(11)의 초기 구동시 목표 연료압력이 미리 설정된 기준압력, 예컨대 약 300㎪보다 높고, 입력 전압이 미리 설정된 기준전압, 예컨대 약 10V보다 높은 경우에 수학식 1에 의해 산출된 모터 출력에 따라 모터 구동 출력을 조절할 수 있다.

반면, 초기 구동 조절부(41)는 목표 연료압력이 기준전압 이하이거나, 입력 전압이 기준전압 이하인 경우에는 모터 구동 출력을 미리 설정된 설정 출력값, 예컨대 약 50%로 조절할 수 있다.

도 6은 목표 연료압력에 따른 초기 구동 조절부의 모터 구동 출력 조절동작에 따라 출력되는 파형 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명은 초기 구동시 초기 구동 조절부를 이용해서 목표 연료압력에 따라 모터 출력을 차등화해서 조절함에 따라 과도한 압력 상승 및 하강을 방지함으로써, 소모 전력을 최소화할 수 있다.

특히, 본 발명은 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차의 연료공급 시스템에 적용되는 경우, 전기구동 모드와 엔진구동 모드 사이의 빈번한 모드 변경 발생시 초기 구동 로직이 자주 수행되는 것을 방지할 수 있다.

그리고 제어부(21)는 연료펌프(11)의 초기 구동 이후에 압력 저하를 방지하도록 목표 연료압력에 따라 모터 출력의 최소 인가 전압을 차등화하여 제한하는 전압 제한부(42)를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 전압 제한부(42)는 초기 구동 시간이 경과한 후에 하기의 표 2에 기재된 두 가지 목표 연료압력 값 사이를 보간해서 산출되는 모터 출력을 유지하도록 모터 출력의 최소 인가 전압을 차등화하여 제한한다.

	350㎪	500㎪
최소 인가 전압	6.97V	8.48V

이와 같은 보간 과정은 하기의 수학식 2와 같이 정리될 수 있다.

[수학식 2]

모터 출력(%)= (목표 연료압력+Y)/입력전압*100

여기서, Y는 실험결과에 따라 설정되는 변환상수로서, 본 실시 예에서는 약 347로 설정될 수 있다.

도 7은 목표 연료압력에 따른 전압 제한부의 최소 인가전압 제한 동작에 따라 출력되는 파형 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전압 제한부를 이용해서 목표 연료압력에 따라 모터 출력의 최소 인가전압을 차등화하여 압력 저하를 최소화할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 가솔린 직접분사 시스템을 이용해서 설명함에 따라, 제어부가 목표 연료압력에 따라 가변 압력제어를 수행하는 연료량 보상부(40)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 플러그인 하이브리드 자동차에 적용되는 연료공급 시스템은 가변 압력 제어를 미수행함에 따라 압력 제어의 민감도를 떨어뜨려 정상 상태 구간에서 연료압력의 안정성을 확보해야 한다.

이를 위해, 제어부(21)는 연료량 보상부(40) 대신에 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 압력 편차에 따라 비례 적분 제어 또는 적분 제어를 수행해서 목표 연료압력을 추종하도록 제어하는 압력 추종 제어부(43)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 하기의 표 3은 비례 제어 기간(P Term) 테이블이고, 하기의 표 4는 적분 제어 기간(I Term) 테이블이다.

즉, 압력 추종 제어부(43)는 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차가 미리 설정된 설정압력편차, 예컨대 약 50㎪ 미만일 경우, 표 3 및 표 4에 기재된 바와 같이 비례 제어를 미수행하도록 비례 제어 기간을 '0'으로 입력하고, 적분 제어 기간을 증가시켜 압력 저하 시 적분 제어로 목표 연료압력을 추종하도록 제어한다.

압력편차(㎪)	10	20	30	40	50	60
P Term(상승)	0	0	0	0	0	400
P Term(하강)	0	0	0	0	0	100

압력편차(㎪)	상시
I Term(상승)	10
I Term(하강)	100

반면, 압력 추종 제어부(43)는 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차가 상기 설정압력편차 이상인 경우에는 표 3 및 표 4에 기재된 비례 적분 제어 기간에 따라 비례 적분 제어를 수행하여 목표 연료압력을 추종하도록 제어한다.

도 8은 정상 상태 구간에서 압력 추종 제어부의 압력 추종 제어동작에 따라 출력되는 파형 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명은 플러그인 하이브리드 자동차의 연료공급시스템에 적용되는 경우, 압력 추종 제어부를 이용해서 압력 제어의 민감도를 감소시켜 정상 상태 구간에서 연료압력의 흔들림을 최소화함으로써, 안정성을 향상시킬 수 있다.

이와 함께, 제어부(21)는 도 3에 도시된 바와 같이, 과전압 보호부(24)를 통해 공급되는 구동전원을 제어부(21)의 구동에 필요한 전압레벨로 변환하는 전압 레귤레이터(31), CAN 컨트롤러(26)와 연결되어 신호를 송수신하는 인터페이스(32), 전압 레귤레이터(31)로부터 전압레벨이 변환된 구동전원을 압력감지부(22)로 출력하는 전압 출력회로(33) 및 압력감지부(22)의 감지신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, 이하 'ADC'라 함)를 더 포함할 수 있다.

그리고 제어부(21)는 PWM 제어신호에 따라 스위칭 신호를 발생하여 모터 구동부(23)의 하이 및 로우 사이드에 구비된 MOSFET 소자(FET1,FET2)에 전달하는 하이 및 로우 사이드 구동부(35,36), 평상시 모터 구동부(23)의 보호 소자(FET3)를 온 구동하고 역전압 발생시 보호 소자(FET3)를 오프 구동시켜 모터 구동부(23)를 보호하는 역전압 방지회로(37) 및 모터 구동부(23)에 공급되는 구동전원의 전류를 검출하는 전류검출부(38)를 더 포함할 수 있다.

즉, 본 발명은 제어부를 하나의 집적회로로 구성하고, 집적회로 내부에 전압 레귤레이터, 인터페이스, 전류검출부, 역전압 방지회로, 모터 컨트롤러의 역할을 하는 하이 및 로우 사이드 구동부를 마련하여 제어부의 구성을 단순하게 하고, 제어부의 크기를 소형화할 수 있다.

여기서, 인터페이스(32)는 CAN 컨트롤러(26)와 제어부(21) 사이에서 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신을 수행하는 SPI 버스(Bus)이다.

이와 함께, 인터페이스는 메인 제어부와 제어부 사이에서 PWM 통신 방식으로 신호를 송수신하는 통신라인(도면 미도시)을 더 구비할 수도 있다.

이에 따라, 본 발명은 메인 제어부와 제어부 사이에서 CAN 통신을 통해 신호를 송수신하고, CAN 통신 오류 발생시 PWM 통신을 이용해 지속적으로 모터를 구동할 수 있다.

전류검출부(38)는 과전압 보호부(24)를 통해 모터 구동부(23)로 구동전원을 공급하는 전원공급라인 상에 설치되는 저항을 이용해 연료펌프 구동시 전류를 검출한다.

이에 따라, 제어부(21)는 구동전원의 과전류 여부를 검사하고, 과전류 발생시 모터(12)의 구동을 중지시키도록 제어하여 과전류로 인한 모터 및 모터 구동부의 고장을 방지한다.

모터 구동부(23)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET'라 함) 소자를 이용하여 3상 풀 브리지(3-Phase Full Bridge) 방식으로 이루어지며, 모터(12)에 인가되는 공급전원을 스위칭한다.

예를 들어, 모터 구동부(23)를 구성하는 3상 풀 브리지 회로의 하이 사이드(high side) 및 로우 사이드(low side)에는 각각 P채널 금속 산화막 반도체 FET (Metal-Oxide-Semiconductor FET, 이하 'MOSFET' 이라 함) 소자(FET1)와 N채널 MOSFET 소자(FET2)가 적용될 수 있다.

이와 함께, 본 실시 예에서 모터 구동부(23)는 역전압 발생시 제어부(21)의 제어신호에 따라 모터 구동부(23)로 인가되는 구동전원을 차단하는 보호 소자(FET3)를 더 구비할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 평상시에는 제어부의 제어에 따라 보호 소자를 온 구동시키고, 역전압 발생시 보호 MOFFET 소자를 오프 동작시켜 모터 구동부에 인가되는 구동전원을 차단함으로써 모터 구동부 내부의 단락(short)을 방지할 수 있다.

다음, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치의 구동방법을 상세하게 설명한다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치의 구동방법을 단계별로 설명하는 흐름도이고, 도 10은 도 9에 도시된 연료 펌프 모터 구동장치의 구동방법에 따른 모터 출력을 측정한 파형 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 구동장치의 구동방법은 도 9에 도시된 바와 같이, 이그니션 키(도면 미도시)가 온 조작되어 배터리(16)로부터 구동전원을 인가받아 엔진을 시동하면서 시작된다(S10).

그러면, 제어부(21)는 구동전원을 인가받아 구동을 시작함과 동시에, 연료펌프(11)의 모터(12)를 미리 설정된 초기 구동속도로 구동하도록 듀티값을 산출하고, 산출된 듀티값을 갖는 PWM 제어신호를 출력한다.

상세하게 설명하면, CAN 송수신기(25)는 메인 제어부(10)와 통신을 수행하고, 메인 제어부(10)로부터 목표 연료압력을 수신하여 제어부(21)의 인터페이스(32)로 전달한다(S12).

그리고 압력감지부(22)는 연료펌프(11)에 의해 펌핑되어 연료공급라인을 통해 엔진으로 공급되는 연료의 압력을 감지한다(S14).

이후, 압력감지부(22)는 지속적으로 연료공급라인을 통해 엔진으로 공급되는 연료의 압력을 감지해서 제어부(21)로 전달한다.

이에 따라, 초기 구동 조절부(41)는 목표 연료압력과 배터리(16)로부터 인가되는 구동전원의 입력 전압을 수학식 1에 대입해서 산출되는 모터 출력에 따라 차등화하여 모터(12)의 출력을 조절한다(S16).

이때, 초기 구동 조절부(41)는 목표 연료압력이 미리 설정된 기준압력, 예컨대 약 300㎪보다 높고, 입력 전압이 미리 설정된 기준전압, 예컨대 약 10V보다 높은 경우에 수학식 1에 의해 산출된 모터 출력에 따라 모터 구동 출력을 조절할 수 있다.

반면, 초기 구동 조절부(41)는 목표 연료압력이 기준전압 이하이거나, 입력 전압이 기준전압 이하인 경우에는 모터 구동 출력을 미리 설정된 설정 출력값, 예컨대 약 50%로 조절할 수 있다.

약 0.2초로 설정된 초기 구동시간이 경과하면, 연료량 보상부(40)는 실제 연료 압력과 목표 연료압력의 압력편차와 미리 설정된 설정압력차를 비교한다(S18).

만약, S18단계의 비교결과 압력편차가 설정압력차, 예컨대 약 20㎪(=0.2bar) 이상이면, 연료량 보상부는 미리 설정된 설정출력, 예컨대 약 7%만큼 모터 출력을 보상한다(S20).

반면, S18단계의 비교결과 압력편차가 설정압력차 미만이면, 제어부(21)는 S22단계로 진행한다.

S22단계에서 전압 제한부(42)는 연료펌프(11)의 초기 구동 이후에 연료압력 저하 및 정류자 부식을 방지하도록 목표 연료압력에 따라 모터 출력의 최소 인가 전압을 차등화하여 제한한다.

예를 들어, 전압 제한부(42)는 초기 구동 시간이 경과한 후에 목표 연료압력을 수학식 2에 대입해서 산출되는 모터 출력에 따라 최소 인가전압을 차등화하여 제한할 수 있다.

한편, 플러그인 하이브리드 자동차의 연료공급시스템에 적용되는 경우, 제어부(21)의 압력 추종 제어부(43)는 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 압력 편차에 따라 비례 적분 제어 또는 적분 제어를 수행해서 목표 연료압력을 추종하도록 제어한다.

예를 들어, 압력 추종 제어부(43)는 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차가 미리 설정된 설정압력편차, 예컨대 약 50㎪ 미만일 경우, 표 3 및 표 4에 기재된 바와 같이 비례 제어를 미수행하도록 비례 제어 기간을 '0'으로 입력하고, 적분 제어 기간을 증가시켜 압력 저하 시 적분 제어로 목표 연료압력을 추종하도록 제어한다.

반면, 압력 추종 제어부(43)는 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차가 상기 설정압력편차 이상인 경우에는 표 3 및 표 4에 기재된 비례 적분 제어 기간에 따라 비례 적분 제어를 수행하여 목표 연료압력을 추종하도록 제어한다.

이와 같은 초기 구동 조절, 연료량 보상, 최소 인가전압 제한 및 압력 추종제어 동작에 따라 모터 출력은 도 10에 도시된 바와 같이, 과도한 압력 상승 및 저하를 방지하여 목표 연료압력에 근사화되어 안정화될 수 있다.

다시 도 9에서, 제어부(21)는 이그니션 키가 오프 조작되는지 여부를 검사하고(S24), 이그니션 키가 오프 조작될 때까지 S18단계 내지 S24단계를 반복 수행하도록 제어한다.

만약, 이그니션 키가 오프 조작되면, 엔진 구동이 중지되고 구동전원이 차단됨에 따라, 제어부(21)는 연료펌프 모터 구동장치(20)의 구동을 중지하고 종료한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 목표 연료압력과 실제 연료압력에 따라 모터 출력을 조절함으로써, 빈번한 압력 상승 및 저하를 방지하여 연료압력을 안정화할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상기의 실시 예에서는 가솔린 직접분사 시스템에 적용되는 연료펌프 모터를 이용하여 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 가솔린 직접분사 시스템뿐만 아니라, 엘피아이 시스템이나 엘피디아이 시스템과 같이 액체 상태의 가스 연료를 엔진에 공급하는 가스 연료 공급시스템, 디젤 직접분사 시스템, 하이브리드 연료 공급시스템 및 플러그인 하이브리드 연료 공급시스템과 같이 다양한 연료 공급시스템에 적용되도록 변경될 수 있다.

본 발명은 목표 연료압력과 실제 연료압력에 따라 모터 출력을 조절함으로써, 빈번한 압력 상승 및 저하를 방지하여 연료압력을 안정화하는 연료펌프 모터 구동장치 및 구동방법 기술에 적용된다.

10: 메인 제어부 11: 연료펌프
12: 모터 13: 고압펌프
14: 인젝터 15: 가속상태 감지부
16: 배터리
20: 연료펌프 모터 구동장치 21: 제어부
22: 압력감지부 23: 모터 구동부
24: 과전압 보호부 25: CAN 송수신기
26: CAN 컨트롤러 31: 전압 레귤레이터
32: 인터페이스 33: 전압 출력회로
34: ADC 35: 하이 사이드 구동부
36: 로우 사이드 구동부 37: 역전압 방지회로
38: 전류검출부 40: 연료량 보상부
41: 초기 구동 조절부 42: 전압 제한부
43: 압력 추종 제어부

Claims (11)

1. 연료펌프 모터의 구동에 의해 연료펌프로부터 펌핑되어 연료공급라인을 통해 고압펌프로 공급되는 연료의 압력을 감지하는 압력감지부,
   차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 연료압력과 상기 압력감지부의 감지신호에 기초해서 모터 출력을 목표 연료압력에 근사화시켜 안정화하도록 모터의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부 및
   상기 제어부의 제어신호에 기초해서 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하고,
   상기 제어부는 가변 연료 제어를 미수행하는 플러그인 하이브리드 자동차의 연료공급시스템에 적용되는 경우, 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 압력 편차에 따라 비례 적분 제어 또는 적분 제어를 수행해서 목표 연료압력을 추종하도록 제어하는 압력 추종 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동장치.
2. 제1항에 있어서,
   차량의 배터리로부터 공급된 구동전원으로부터 발생하는 과전압을 차단하여 각 장치를 보호하는 과전압 보호부 및
   차량의 메인 제어부와 상기 제어부 사이에서 CAN 통신을 수행하는 통신수단을 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 통신수단을 통해 메인 제어부로부터 수신된 목표압력과 상기 압력감지부에서 감지된 실제 연료압력을 비교하고, 비교 결과에 따라 PWM 제어신호의 듀티값을 산출해서 산출된 듀티값의 PWM 제어신호를 이용해 상기 모터 구동부의 구동을 제어하는 연료량 보상부를 포함하며,
   상기 연료량 보상부는 상기 압력감지부에서 감지된 실제 연료압력이 메인 제어부로부터 수신된 목표 연료압력 대비 미리 설정된 설정압력차 이상일 경우에 미리 설정된 설정출력만큼 모터 출력을 보상하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는 연료펌프의 초기 구동시 미리 설정된 초기 구동시간 동안 목표 연료압력에 따라 모터 출력을 차등화해서 조절하는 초기 구동 조절부를 더 포함하고,
   상기 초기 구동 조절부는 목표 연료압력과 상기 구동전원의 입력전압을 수학식 1에 대입하여 산출되는 요구 모터 출력 전압값에 따라 모터 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동장치.
   모터 출력(%)= (목표 연료압력+X)/입력전압*100....[수학식 1]
   여기서, X는 실험 결과에 따라 설정되는 변환상수.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 연료펌프의 초기 구동 이후에 연료압력 저하 및 정류자 부식을 방지하도록 목표 연료압력에 따라 모터 출력의 최소 인가 전압을 차등화하여 제한하는 전압 제한부를 더 포함하고,
   상기 전압 제한부는 목표 연료압력을 수학식 2에 대입하여 산출되는 모터 출력을 유지하도록 최소 인가전압으로 제한하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동장치.
   모터 출력(%)= (목표 연료압력+Y)/입력전압*100....[수학식 2]
   여기서, Y는 실험 결과에 따라 설정되는 변환상수.
5. 제1항에 있어서,
   상기 압력 추종 제어부는 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차가 미리 설정된 설정압력편차 미만일 경우, 비례 제어를 미수행하도록 비례 제어 기간을 '0'으로 입력하고, 적분 제어 기간을 증가시켜 압력 저하 시 적분 제어로 목표 연료압력을 추종하도록 제어하며,
   목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차가 상기 설정압력편차 이상인 경우에는 비례 적분 제어를 수행하여 목표 연료압력을 추종하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동장치.
6. 차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 연료압력과 연료공급량을 통해 공급되는 실제 연료압력에 기초해서 실제 압력편차가 발생하는 경우에만 연료압력을 보상하도록 연료펌프 모터의 구동을 제어하고,
   가변 연료 제어를 미수행하는 플러그인 하이브리드 자동차의 연료공급시스템에 적용되는 경우, 압력 추종 제어부를 이용해서 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 압력 편차에 따라 비례 적분 제어 또는 적분 제어를 수행해서 목표 연료압력을 추종하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동방법.
7. 제6항에 있어서,
   (a) 연료펌프의 초기 구동시 초기 구동 조절부를 이용해서 미리 설정된 초기 구동시간 동안 차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 연료압력에 기초해서 모터 출력을 차등화하여 조절하는 단계 및
   (b) 상기 초기 구동시간이 경과한 후 연료량 보상부를 이용해서 목표 연료압력과 실제 연료압력의 압력편차가 미리 설정된 설정압력차 이상인 경우, 미리 설정된 설정출력만큼 모터 출력을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 (a)단계는 목표 연료압력이 미리 설정된 기준압력보다 높고, 입력 전압이 미리 설정된 기준전압보다 높은 경우에 수학식 1에 의해 산출된 모터 출력에 따라 모터 구동 출력을 조절하고,
   상기 목표 연료압력이 상기 기준압력 이하이거나, 상기 입력 전압이 상기 기준전압 이하인 경우에는 모터 구동 출력을 미리 설정된 설정 출력값으로 조절하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동방법.
   모터 출력(%)= (목표 연료압력+X)/입력전압*100....[수학식 1]
   여기서, X는 실험 결과에 따라 설정되는 변환상수.
9. 제7항에 있어서,
   (c) 상기 연료펌프의 초기 구동 이후에 연료압력 저하 및 정류자 부식을 방지하도록 목표 연료압력에 기초해서 모터 출력의 최소 인가 전압을 차등화하여 제한하는 단계를 더 포함하고,
   상기 (c)단계는 목표 연료압력을 수학식 2에 대입해서 산출되는 모터 출력을 유지하도록 최소 인가전압을 차등화하여 제한하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동방법.
   모터 출력(%)= (목표 연료압력+Y)/입력전압*100....[수학식 2]
   여기서, Y는 실험 결과에 따라 설정되는 변환상수.
10. 삭제
11. 제6항에 있어서, 상기 목표 연료압력의 추종 제어는
    (d1) 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차와 미리 설정된 설정압력편차를 비교하는 단계,
    (d2) 상기 (d1)단계의 비교결과 상기 설정압력편차 미만일 경우, 비례 제어를 미수행하도록 비례 제어 기간을 '0'으로 입력하고, 적분 제어 기간을 증가시켜 압력 저하 시 적분 제어로 목표 연료압력을 추종하도록 제어하는 단계 및
    (d3) 목표 연료압력과 실제 연료압력에 대한 편차가 상기 설정압력편차 이상인 경우, 비례 적분 제어를 수행하여 목표 연료압력을 추종하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 구동방법.
    

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