KR102481633B1 - 차량용 연료 펌프 장치 및 이의 전압 제어 방법 - Google Patents

차량용 연료 펌프 장치 및 이의 전압 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 기술은 차량용 연료 펌프 장치 및 이의 전압 제어 방법에 관한 것이다. 본 기술의 차량용 연료 펌프 장치는, 모터 펌프를 이용하여 엔진에 필요한 연료량을 공급하는 차량용 연료 펌프 장치로서, 인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시키는 모터; 및 상기 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 토크 리플 발생시, 토크 리플 성분을 상쇄시키기 위해 상기 발생하는 토크의 반대방향으로 토크를 발생시키는 고조파 전류가 함께 인가되도록 전압을 제어한다.

Description

차량용 연료 펌프 장치 및 이의 전압 제어 방법{FUEL PUMP DEVICE FOR VEHICLES AND METHOD FOR CONTROLLING VOLTAGE THEREOF}
본 발명은 차량용 연료 펌프 장치 및 이의 전압 제어 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 모터 펌프를 이용하는 차량용 연료 펌프 장치 및 이의 연료 공급량 결정을 위한 전압 제어 방법에 관한 것이다.
최근 이산화탄소 저감 등 환경 보전에 대한 인식이 확산됨에 따라, 자동차 산업에서도 보다 환경 친화적인 부품을 적용하기 위한 노력이 증대되고 있다.
엔진에 연료를 공급하는 연료 펌프에는 환경적인 Cost Impact 및 효율을 위해 고가임에도 불구하고 DC 모터 펌프가 아닌 BLDC 모터 펌프를 사용하기도 한다. BLDC 모터(brushless dc motor)는 모터 내부의 마모되기 쉬운 brush를 전자장치로 대체하여 내구성을 높인 type으로서, 일반 DC 모터에 비해 브러쉬 교체와 같은 보수가 필요 없으며 효율이 월등히 높기에 환경 친화적인 제품이라 할 수 있다.
일반적으로, BLDC 모터는 전압을 제어하는 PCU(Pump Control Unit)를 사용하는데, 그 구동 원리는 다음과 같다. 첫째로, PCU를 통해 전압을 제어하여 모터에 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 둘째로, 제어된 전류의 양은 모터에서 발생하는 토크의 값(인가 전류 값의 비례)을 결정하여 엔진으로 공급되는 연료의 양을 제어할 수 있다. 즉, BLDC 모터는 엔진에 공급되어야 할 연료의 양을 PCU를 통해 제어하는 방식이다.
도 1a는 차량용 연료 탱크와 연료 탱크로부터 인출된 연료 튜브가 지나가는 차량 언더바디를 위에서 바라본 평면도를 도시하며, 도 1b는 저면도를 도시한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 연료 탱크(10) 상부에 BLDC 모터를 갖는 연료 펌프(20)가 위치한다. 그리고, 연료 탱크(10)로부터 연료 튜브(30)가 인출되어 있고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 연료 탱크(10)로부터 인출된 연료 튜브(30)는 차량의 언더바디(40)의 하면을 지나도록 배치된다.
이때, 연료 펌프(20) 내부의 BLDC 모터는 일정하지 못한 토크 값(예를 들어, 토크 리플(torque ripple))을 가질 수 있는데, 이러한 불규칙적인 토크 값은 연료 펌프 내부의 샤프트(Shaft)의 진동을 유발한다.
즉, 연료를 공급하기 위해 연료 펌프 구동시, 연료 펌프 내부에 있는 BLDC 모터의 토크 리플 성분이 축(Shaft)을 떨리게 하여 기계적 진동 및 소음을 발생시키며, 심한 경우, 차체 언더바디(40)에 마운팅 되어 있는 연료 튜브(30)가 차체와 맞닿으면서 직접 탑승자에게 진동 및 소음이 전해질 수 있다.
본 발명의 발명자는 진동 및 소음 문제점들을 해결하기 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 실시예는 BLDC 모터 구동시 수반되는 토크 리플을 줄여 보다 정숙한 운전 환경을 제공할 수 있는 차량용 연료 펌프 장치 및 이의 전압 제어 방법을 제공한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 펌프를 이용하여 엔진에 필요한 연료량을 공급하는 차량용 연료 펌프 장치는, 인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시키는 모터; 및 상기 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 토크 리플 발생시, 토크 리플 성분을 상쇄시키기 위해 상기 발생하는 토크의 반대방향으로 토크를 발생시키는 고조파 전류가 함께 인가되도록 전압을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 모터에 의해 발생하는 토크 파형을 획득하여 평균 토크를 산출하며, 상기 토크 파형과 상기 평균 토크의 차를 이용하여 상기 고조파 전류를 연산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 펌프를 이용하여 엔진에 필요한 연료량을 공급하는 차량용 연료 펌프 장치의 전압 제어 방법은, 공급되어야 할 연료량에 기초하여 상기 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어하는 단계-상기 모터는 인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시킴-; 상기 발생하는 토크의 반대방향으로 토크를 발생시키는 고조파 전류를 도출하는 단계; 및 상기 도출된 고조파 전류가 상기 모터로 함께 인가되도록 전압을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 도출하는 단계는, 상기 모터에 의해 발생하는 토크 파형을 획득하여 평균 토크를 산출하고, 상기 토크 파형과 상기 평균 토크의 차를 이용하여 고조파 전류를 도출할 수 있다.
본 기술은 BLDC 모터 구동시 수반되는 토크 리플을 줄여 보다 정숙한 운전 환경을 제공할 수 있다.
도 1a는 차량용 연료 탱크와 연료 탱크로부터 인출된 연료 튜브가 지나가는 차량 언더바디를 위에서 바라본 평면도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 저면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치가 토크 리플 성분을 제어하는 원리를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치의 제어부의 전압 제어 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치의 전압 제어 방식을 기존의 전압 제어 방식과 비교하여 개략적으로 도시하는 도면으로서, 도 5a가 기존의 전압 제어 방식을, 도 5b가 본 발명의 전압 제어 방식을 각각 도시한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치(100)의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치(100)(이하, 설명의 편의를 위해, '연료 펌프 장치'라 함)는 모터(110) 및 제어부(120)를 포함한다.
연료 펌프 장치(100)는 모터 펌프를 이용하여 엔진에 필요한 연료량을 공급한다.
모터 펌프는 모터(110)의 출력을 이용한 펌프이다.
모터(110)는 인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시키며, 제어부(120)는 모터(110)에 전류가 인가되도록 전압을 제어한다.
모터(110)는 BLDC 모터일 수 있고, 제어부(120)는 PCU일 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시키는 다양한 종류의 모터와, 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어하는 다양한 모듈이 적용될 수 있다.
궁극적으로, 연료 펌프 장치(100)는 펌프 내부 모터의 토크 값을 제어하여 엔진으로 공급되는 연료의 공급량을 제어하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 펌프 장치(100)는 이와 같이 연료 공급에 필요한 토크 값을 전압 제어를 통해 제어하는 방식이며, 여기에서 더 나아가 토크 리플 성분도 함께 제어한다.
토크 리플은 부하시 외부 구동력으로 모터를 회전시킬 때 발생하는 토크의 진폭으로서, 본 발명의 실시예에 따른 연료 펌프 장치는 이와 같은 토크 리플 성분을 함께 제어함으로써 펌프 내부의 축에 전달되는 가진력을 줄일 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치(100)가 토크 리플 성분을 제어하는 원리를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 모터에 의해 발생하는 토크 파형이 도시된다. 그리고, 평균 토크 값(Tavg)이 나타난다. 평균 토크 값이 실질적으로 모터의 출력에 기여하는 토크에 해당한다.
한편, 이상적인 전류와 전압이 인가되는 경우에는 평균 토크 값만을 갖게 되나, 실제로는 인가되는 전압과 전류에 고조파 성분이 발생하기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이, 토크 리플(Trip) 성분이 발생하게 된다.
이러한 토크 리플 성분을 상쇄시키기 위해, 발생하는 토크의 반대방향으로 토크가 발생할 수 있도록 전압을 제어할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(120)는 필요한 토크 양(즉, 공급되어야 할 연료량)을 계산하여 전압을 제어할 때, 토크 리플 성분을 줄일 수 있는 고조파 전류(iH)가 함꼐 인가되도록 전압을 제어한다.
인가된 고조파 전류는 토크 리플 성분을 줄여 펌프 내부의 축으로 전달될 수 있는 가진력을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 보다 정숙한 차량 운전 환경을 도모할 수 있다.
이하, 제어부(120)가 토크 리플 성분을 줄일 수 있는 고조파 전류를 도출하는 과정을 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치의 제어부의 전압 제어 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 차량용 연료 펌프 장치 제어부(120)의 전압 제어 방법은, 공급되어야 할 연료량에 기초하여 전압을 제어하는 단계(S210), 토크 리플을 상쇄시키는 리플 고조파 전류를 도출하는 단계(S220), 및 도출된 고조파 전류가 모터로 함께 인가되도록 전압을 제어하는 단계(S230)를 포함한다.
먼저, 단계(S210)에서 공급되어야 할 연료량에 기초하여 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어한다.
아래의 식은 모터 설계시에 출력을 고려하기 위해 일반적으로 사용되는 출력 방정식에 해당한다.
Figure 112017114226974-pat00001
여기서, v는 모터에 인가되는 전압, i는 모터에 인가되는 전류, 및 T는 모터에 의해 발생하는 토크, w는 모터의 각속도를 각각 의미한다.
따라서, 제어부는 공급되어야 할 연료량(즉, 필요한 토크 양)을 기초로 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어할 수 있다. 모터는 인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시키게 된다.
단계(S220)에서 모터에 의해 발생하는 토크의 반대방향으로 토크를 발생시키는 고조파 전류를 도출한다.
상술한 바와 같이, 모터에 인가되는 전압과 전류에는 기본파뿐만 아니라 고조파 성분이 발생하므로 토크 리플 성분이 발생한다. 따라서, 토크 리플 성분을 감소시키기 위해, 발생하는 토크리플 파형의 반대방향으로 토크를 발생시킬 필요가 있다.
이를 위해, 단계(S220)에서는 모터에 의해 발생하는 토크 값을 획득하여 평균 토크를 산출하고, 토크 값과 평균 토크의 차를 이용하여 고조파 전류를 도출할 수 있다. 이하 보다 상세하게 살펴본다.
먼저, 모터의 출력에 기여하는 변수들(전압, 전류, 토크)의 파형은 아래의 식처럼 시간에 따라 변한다.
Figure 112017114226974-pat00002
그리고, 시간에 의존하는 값들을 d-q축 변환을 통해 직류 값처럼 취급할 수 있다. 모터의 3상(U, V, W상)들의 값들을 d-q축으로 변환하기 위해 아래의 식과 같은 d-q축 변환 매트릭스를 이용할 수 있다.
Figure 112017114226974-pat00003
이렇게 d-q축으로 변환된 전류, 전압, 토크 값들을 이용하면, 토크 리플(Trip) 성분을 상쇄시키기 위해 인가되어야 할 고조파 전류(iH)의 차수와 그 차수에 인가되어야 할 값들을 도출할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 아래의 식을 이용하여 고조파 전류를 도출할 수 있다. 회전좌표계를 d-q축 변환해서 직류값처럼 취급할 수 있기 때문이다.
Figure 112017114226974-pat00004
여기서, iH는 토크 리플 저감을 위해 인가되어야 할 고조파 전류를 의미한다.
수학식 4에서, (T-Tavg)의 의미는 토크 파형에서 평균 토크 값(상수 값)을 빼면, 토크 리플 성분만이 남게 됨을 의미하고, (-)부호의 의미는 이 토크 리플 성분에 반대방향으로 전류를 인가시켜줌을 의미한다.
상술한 식들을 통해 제어부(120)에 의해 도출된 고조파 전류가 모터(110)로 인가되면, 결국, 모터(110)로 인가되는 전류는, 기본파 전류와 상술한 식들을 통해 도출된 특정 고조파에 해당하는 전류들의 합에 해당한다.
예를 들어, 전압값이 수학식 2에 따라, 사인과 코사인 함수로서, 기본파와 고조파의 합의 형태로 표현되고, 전류값도 수학식 2에 따라, 사인과 코사인 함수로서, 기본파와 고조파의 합의 형태로 표현되면, 이 상태에서, 수학식 1에 따라 전압과 전류의 곱은 토크와 각속도의 곱에 해당하고, 이때, 각속도는 상수이므로, 토크값도 사인과 코사인의 함수로서 기본파와 고조파의 합의 형태를 가질 수 있다. 그리고 나서, 토크 리플의 경우에는 주로 6의 배수 차수로 많이 발생한다는 점에서, 토크 리플의 6의 배수 차수의 값을 알면, 상기 수학식 4를 이용하여 각 고조파에 해당하는 전류 값을 도출할 수 있다.
이와 같이, 제어부(120)는 모터(110) 구동시 발생하는 토크, 전압, 전류 값들을 이용하여 고조파 전류의 차수 및 그 차수에 인가되어야 할 값들을 도출한 후, 그러한 전류가 인가될 수 있도록 전압을 제어하여 토크 리플을 줄일 수 있다(S230).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치의 전압 제어 방식을 기존의 전압 제어 방식과 비교하여 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 5a가 기존의 전압 제어 방식을, 도 5b가 본 발명의 전압 제어 방식을 각각 도시한다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 엔진으로 공급되어야 할 연료량 제어가 필요하다고 판단되면, 펌프 전압을 제어한다. 펌프 전압을 제어함에 따라 그에 상응하는 전류가 모터로 인가되며, 인가된 전류량에 비례하여 모터의 토크 값이 결정된다. 이러한 과정을 통해 연료량 제어가 이루어진다. 한편, 엔진으로 공급되어야 할 연료량 제어가 필요하지 않은 경우에는 펌프 전압 제어는 불필요하다.
이에 대해, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 펌프 전압 제어시, 고조파 전압 인가가 함께 수행된다. 이에, 고조파 전압이 더해진 값에 상응하는 전류가 모터로 인가되고, 인가된 전류량에 비례하여 모터의 토크 값이 결정되므로, 토크 리플이 저감될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료 펌프 장치에 따르면, BLDC 모터 구동시 수반되는 토크 리플을 줄여 보다 정숙한 운전 환경을 제공할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 연료 탱크
20 : 연료 펌프
30 : 연료 튜브
40 : 언더바디
100 : 차량용 연료 펌프 장치
110 : 모터
120 : 제어부

Claims (4)

  1. 모터 펌프를 이용하여 엔진에 필요한 연료량을 공급하는 차량용 연료 펌프 장치로서,
    인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시키는 모터; 및
    상기 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는, 토크 리플 발생시, 토크 리플 성분을 상쇄시키기 위해 상기 발생하는 토크의 반대방향으로 토크를 발생시키는 고조파 전류가 함께 인가되도록 고조파 전압을 인가하여 추가로 인가된 전류를 제어하되 아래의 식을 이용하여 고조파 전류를 도출하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료 펌프 장치.
    Figure 112022068360887-pat00012

    iH는 토크 리플 저감을 위해 인가되어야 할 고조파 전류. T는 모터에 의해 발생하는 토크, Tavg는 평균 토크 값, w는 모터의 각속도, v는 모터에 인가되는 전압.
  2. 삭제
  3. 모터 펌프를 이용하여 엔진에 필요한 연료량을 공급하는 차량용 연료 펌프 장치의 전압 제어 방법으로서,
    공급되어야 할 연료량에 기초하여 상기 모터에 전류가 인가되도록 전압을 제어하는 단계-상기 모터는 인가받은 전류량에 비례하는 크기의 토크를 발생시킴-;
    상기 발생하는 토크의 반대방향으로 토크를 발생시키는 고조파 전류를 도출하는 단계; 및
    상기 도출된 고조파 전류가 상기 모터로 함께 인가되도록 고조파 전압을 인가하여 추가로 인가된 전류를 제어하되, 아래의 식을 이용하여 고조파 전류를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 연료 펌프 장치의 전압 제어 방법.
    Figure 112022068360887-pat00013

    iH는 토크 리플 저감을 위해 인가되어야 할 고조파 전류. T는 모터에 의해 발생하는 토크, Tavg는 평균 토크 값, w는 모터의 각속도, v는 모터에 인가되는 전압.
  4. 삭제
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