KR20040017670A - 하이브리드 전기자동차의 발전량 제어장치 및 방법 - Google Patents

하이브리드 전기자동차의 발전량 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

하이브리드 전기자동차에서 발전기와 배터리간의 DC 링크 전압을 피드백 검출하여 발전량 제어값을 보상 제어하도록 하는 것으로,
하이브리드 전기자동차의 주행시 배터리의 잔량과 모터의 요구량에 따라 필요 발전량을 산출하여 발전량 지령값을 출력하는 과정과, 상기 발전량 지령값에 부합되는 최적 효율의 엔진 토크 및 모터 속도를 산출하는 과정과, 상기 산출된 모터 속도의 토크분 전류값에 대한 속도 제어와 엔진 토크분에 대한 스로틀 개도 제어를 수행하여 전압 발전을 수행하는 과정과, DC 링크로부터 실제 발전량 전압을 피드백 검출하여 발전량 지령값을 보상하는 과정을 포함한다.

Description

하이브리드 전기자동차의 발전량 제어장치 및 방법{GENERATOR POWER CONTROL APPARATUS OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전기와 배터리간의 DC 링크의 전압을 피드백 검출하여 발전량 제어값을 보상 제어하도록 하는 하이브리드 전기자동차의 발전량 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 직렬형 하이브리드 전기자동차는 자가 발전을 위한 내연기관과차량 주행을 위한 구동원인 모터를 포함하여 구성되며, 각각의 주행상황에 대응하여 내연기관의 연비가 가장 높게 운전되도록 제어되고 제동시와 감속시에 회생 제동 에너지를 전기 에너지로 회수하여 배터리에 충전함으로써 기존 가솔린 엔진에 비해 연비 향상을 이룰 수 있으며 시내 구간에서 엔진 시동을 오프한 상태로 주행할 수 있어 환경 친화적인 미래형 자동차로 개발되어 상용화 단계에 이르고 있다.
이와 같은 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력 시스템은, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 동력 발생원으로 내연기관인 엔진(1)과, 엔진(1)의 크랭크 샤프트에 연결되어 엔진(1)의 구동에 따라 전기를 발전하는 발전기(2), 발전기(2)의 발전량을 제어하는 GCU(Generator Control Unit ; 3), 에너지를 저장 및 공급하는 배터리(4), 배터리(4)의 출력 전압에 의해 구동되는 모터(6)와, 상기 모터(6)의 구동 토크 및 속도를 제어하는 MCU(Motor Control Unit ; 5), 모터(6)의 구동력을 설정된 비로 감속시켜 출력하는 감속기(7), 차동장치(8) 및 구동 휠(9)로 이루어진다.
전술한 바와 같은 구조를 갖는 직렬형 하이브리드 전기자동차에서 모터(6)의 구동을 위한 전압의 전달 관계는 다음과 같다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 발전기(2)의 출력 전압량과 배터리(4)의 충전 전압량 및 모터(6)의 전압 요구량에 따라 각각의 운전모드가 구분되는데, 발전기(2)의 발전 출력량이 모터(6)의 전압 요구량을 초과하는 경우 배터리(4)는 충전 모드를 수행하여 발전기(2)에서 출력되는 전압에서 잉여 전압을 충전 저장하고, 발전기(2)의 발전 출력량이 모터(6)의 전압 요구량 미만인 상태이면 배터리(4)는 방전 모드를 수행하여 모터(6)의 전압 요구량에 대한 부족분의 전압을 보충하여 주는방전 모드를 수행한다.
또한, 모터(6)의 전압 요구량과 발전기(2)의 발전 출력량이 동일한 경우 엔진의 구동에 따른 발전으로 주행을 유지하는 엔진 주행모드를 수행하고, 배터리(4)의 충전 전압량이 충분한 상태를 유지하는 경우 배터리(4)의 전압만으로 모터(6)를 구동하여 주행을 유지하는 전기자동차의 모드를 수행한다.
상기와 같이 모터(6)의 전압 요구량과 발전기(2)의 발전 출력량 및 배터리(4)의 충전상태등에 따라 적용되고 있는 종래의 발전량 제어방법은 속도 제어를 수행하는 발전기의 파워지령에 따른 속도와 토크 제어를 수행하는 엔진의 토크 조합이 설정된 효율값 테이블에 의해 결정되도록 하고 있어, 엔진이 발전기의 속도 제어기에 대하여 부하 토크로 작용하게 된다.
따라서, 발전기와 엔진간의 기계적 손실과 스로틀 개도량에 대한 엔진 출력토크의 비선형성, 발전기의 출력 파워에 대한 엔진 온도의 비선형적 영향 및 발전기의 효율 등의 요인에 의해 GCU의 파워 지령값과 실제 발전기의 출력이 상이하게 되며, 이로 인하여 시스템의 효율에 영향을 미치게 되어 연비와 배기가스에 악영향을 초래하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 모터의 출력 파워에 근접하는 발전기와 배터리간의 DC 링크의 전압을 피드백 검출하여 모터 및 엔진의 토크와 속도를 보상 제어하도록 함으로서, 발전기의 출력량 제어에 안정성 및 신뢰성을 제공하도록 한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 발전량 제어장치에 대한 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 발전량 제어장치에 대한 상세 구성 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차에서 발전량 제어를 수행하는 일 실시예의 흐름도.
도 4는 일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차의 시스템 구성도.
도 5는 일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차에서 동력 전달 흐름도.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 발전기의 출력량 제어를 위한 엔진의 속도 및 토크와 모터의 구동 속도 및 토크를 제어하며, DC 링크의 전압을 피드백 검출하여 발전량 보정 제어를 수행하는 제어수단과; 상기 제어수단에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM 스위칭 신호를 발생하는 구동수단과; 상기 구동수단의 PWM 스위칭 신호에 따라 배터리 혹은 발전기에서 인가되는 전압을 3상 교류 전압으로 변환시켜 모터의 구동을 수행하며, 회생 제동시에서 유도 전동기인 모터에서 생성되는 교류 전류를 직류 전류로 변환시켜 배터리에 충전전압으로 공급하는 인버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제어수단은 현재의 배터리 잔량과 모터의 요구 전력량으로부터 필요한 발전량 지령값을 계산하는 발전 기준값 생성부와; 상기 발전량 지령값을 설정된 테이블을 통해 분석하여 최적의 효율을 갖도록 하는 엔진의 토크, 속도와 모터의 토크 및 속도 제어값을 추출하는 효율 추출부와; 상기 효율 추출부에서 인가되는 모터 제어값에 따라 모터의 회전 속도 제어를 위한 토크분 전류를 산출하여 모터를 제어하는 속도 제어부와; 상기 효율 추출부에서 인가되는 엔진 토크 제어값에 따라 주어진 엔진 토크를 출력하기 위한 스로틀 밸브의 개도값을 추출하는 엔진 제어값 추출부 및; 상기 모터 및 엔진의 토크, 속도가 제어되는 상태에서 DC 링크로부터 피드백 검출되는 DC 파워값에 따라 발전량 지령값을 보상하는 에러 보상부를 포함한다.
또한, 본 발명은 하이브리드 전기자동차의 주행시 배터리의 잔량과 모터의요구량에 따라 필요 발전량을 산출하여 발전량 지령값을 출력하는 과정과; 상기 발전 지령값에 부합되는 최적 효율의 엔진 토크 및 모터 속도를 산출하는 과정과; 상기 산출된 모터 속도의 토크분 전류값에 대한 속도 제어와 엔진 토크분에 대한 스로틀 개도 제어를 수행하여 전압 발전을 수행하는 과정과; DC 링크로부터 실제 발전량 전압을 피드백 검출하여 발전량 지령값을 보상하는 과정을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 발전기 파워 제어장치는, 발전기의 출력량 제어를 위한 엔진 속도 및 토크와 모터(400)의 구동 속도 및 토크를 제어하며, 피드백 검출되는 DC 링크 전압에 따라 발전량 보정 제어를 수행하는 메인 제어부(100)와, 상기 메인 제어부(100)에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM 스위칭 신호를 발생하는 게이트 드라이버(200)와, 상기 PWM 스위칭 신호에 따라 도시되지 않은 배터리 혹은 발전기에서 인가되는 전압을 3상 교류 전압으로 변환시켜 모터(400)의 구동을 수행하며, 회생 제동시에서 유도 전동기인 모터(400)에서 생성되는 교류 전류를 직류 전류로 변환시켜 배터리에 충전전압으로 공급하는 인버터(300)로 구성된다.
상기한 구성에서 메인 제어부(100)는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 현재의 배터리 잔량과 모터에서 사용 및 요구되는 전력량을 계산하여 필요한 발전량 지령값 및 발전기 파워 등을 계산하는 발전 기준값 생성부(110)와, 상기 계산되어 인가되는 발전기 파워 제어값에 DC 링크로부터 피드백되어 인가되는 DC 파워값을 감안하여 발전기 파워 제어값을 보상하는 에러 보상부(120)와, 상기 보상되어 인가되는 발전기 파워 제어값을 설정된 테이블을 통해 분석하여 최적의 효율을 갖도록 하는 제어값을 추출한 후 발전기의 회전수 및 엔진 토크 제어값으로 출력하는 효율 추출부(130)와, 상기 효율 추출부(130)에서 인가되는 발전기 회전수 제어값에 따라 모터의 회전 속도 제어를 위한 토크분 전류(Iq)를 산출하여 모터의 회전 속도를 제어하는 속도 제어부(140) 및 상기 효율 추출부(130)에서 인가되는 엔진 토크 제어값에 따라 주어진 엔진 회전수의 영역에서 주어진 엔진 토크를 내기 위한 스로틀 밸브의 개도값을 추출하여 ECU(400)측에 출력하는 엔진 제어값 추출부(150)로 구성된다.
따라서, 게이트 드라이버(200)내의 인버터(210)는 상기 속도 제어부(140)에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM 스위칭을 수행하여 모터(400)의 구동 토크 및 속도를 조정하고, 상기 ECU(600)에서 인가되는 스로틀 밸브의 개도 제어신호에 따라 엔진(600)의 출력 토크 및 속도를 조정한다.
이때, 엔진(600)의 구동에 의해 발전기에서 발생되는 전압을 배터리 혹은 모터(400)측에 공급하고, 모터(400)의 회생 제동시 발생되는 전압을 배터리측에 공급하는 DC 링크의 전압에 대한 정보는 에러 보상부(120)측에 피드백되어 검출된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 발전기 파워 제어에 대한 동작은 다음과 같다.
하이브리드 전기자동차의 주행이 개시되는 메인 제어부(100)내의 발전 기준값 생성부(110)는 운전자의 주행 요구에 따라 현재의 배터리 잔량과 모터(400)에서사용 및 요구되는 전력량에 따라 필요한 발전량 지령값을 산출하여 발전기의 발전 제어값으로 효율 추출부(130)측에 인가한다(S100).
이때, 효율 추출부(130)는 인가되는 발전기의 발전 제어값을 설정된 테이블을 통해 분석하여 최적의 효율을 갖도록 하는 발전기의 회전수 및 엔진 토크 제어값을 추출한 후 발전기 회전수 제어값을 속도 제어부(140)측에 인가하고, 엔진 토크 제어값을 엔진 제어값 추출부(150)측에 인가한다(S200).
이때, 속도 제어부(140)는 인가되는 회전수 제어값에 따라 모터(400)의 회전 속도 제어를 위한 토크분 전류(Iq)를 산출하여 게이트 드라이버(200)측에 PWM 스위칭 제어신호로 인가함으로써 게이트 드라이버(200)내의 인버터(210)는 PWM 스위칭을 수행하여 모터(400)의 구동 토크 및 속도를 조정하게 된다(S300).
또한, 엔진 제어값 추출부(150)는 상기 효율 추출부(130)에서 인가되는 엔진 토크 제어값에 따라 주어진 엔진 회전수의 영역에서 주어진 엔진 토크를 내기 위한 스로틀 밸브의 개도값을 추출하여 ECU(400)측에 인가함으로써, ECU(400)의 제어에 따라 엔진(600)의 출력 토크 및 회전 속도가 조정된다(S400).
이때, 엔진(600)의 구동에 의해 발전기에서 발생되는 전압을 배터리 혹은 모터(400)측에 공급하고, 모터(400)의 회생 제동시 발생되는 전압을 배터리측에 공급하는 DC 링크(700)의 전압이 에러 보상부(120)측에 피드백되어 검출된다(S500).
따라서, 에러 보상부(120)는 상기 발전 기준값 생성부(110)에서 결정되어 인가되는 필요 발전량 제어값에 피드백 검출되는 DC 링크(700)의 전압 정보를 보정값으로 적용하여 최종적인 발전량을 제어함으로써 발전가 발전량 제어에 있어 안정성및 신뢰성이 제공된다(S600).
상기의 발전량 제어값 결정에서 DC 링크(700)의 전압을 보정값으로 적용함에 있어, 실제 발전량과 발전량 지령값 사이의 오차가 설정된 한계값 이하를 유지하는 경우에는 발전량 지령값의 보정을 수행하지 않고, 실제 발전량과 발전량 지령값 사이의 오차가 설정된 한계값 이상을 유지하는 경우에 대해서는 발전량 지령값의 오차 보정을 수행한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 발전량을 제어함에 있어 배터리와 모터간의 DC 링크 전압을 피드백 검출하여 발전 지령값을 보정함으로써 발전량의 제어에 있어 안정성 및 신뢰성이 제공된다.

Claims (6)

  1. 하이브리드 전기자동차에 있어서,
    발전기의 출력량 제어를 위한 엔진의 속도 및 토크와 모터의 구동 속도 및 토크를 제어하며, DC 링크의 전압을 피드백 검출하여 발전량 보정 제어를 수행하는 제어수단과;
    상기 제어수단에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM 스위칭 신호를 발생하는 구동수단과;
    상기 구동수단의 PWM 스위칭 신호에 따라 배터리 혹은 발전기에서 인가되는 전압을 3상 교류 전압으로 변환시켜 모터의 구동을 수행하며, 회생 제동시에서 유도 전동기인 모터에서 생성되는 교류 전류를 직류 전류로 변환시켜 배터리에 충전전압으로 공급하는 인버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전기 파워 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 현재의 배터리 잔량과 모터의 요구 전력량으로부터 필요한 발전량 지령값을 계산하는 발전 기준값 생성부와;
    상기 발전량 지령값을 설정된 테이블을 통해 분석하여 최적의 효율을 갖도록 하는 엔진의 토크, 속도와 모터의 토크 및 속도 제어값을 추출하는 효율 추출부와;
    상기 효율 추출부에서 인가되는 모터 제어값에 따라 모터의 회전 속도 제어를 위한 토크분 전류를 산출하여 모터를 제어하는 속도 제어부와;
    상기 효율 추출부에서 인가되는 엔진 토크 제어값에 따라 주어진 엔진 토크를 출력하기 위한 스로틀 밸브의 개도값을 추출하는 엔진 제어값 추출부 및;
    상기 모터 및 엔진의 토크, 속도가 제어되는 상태에서 DC 링크로부터 피드백 검출되는 DC 파워값에 따라 발전량 지령값을 보상하는 에러 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전기 파워 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에러 보상부는 실제 발전량과 발전량 지령값 사이의 오차가 설정된 한계값 이하를 유지하는 경우에는 발전량 지령값의 보정을 수행하지 않고, 실제 발전량과 발전량 지령값 사이의 오차가 설정된 한계값 이상을 유지하는 경우에 대해서는 발전량 지령값의 오차 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전기 파워 제어장치.
  4. 하이브리드 전기자동차의 주행시 배터리의 잔량과 모터의 요구량에 따라 필요 발전량을 산출하여 발전량 지령값을 출력하는 과정과;
    상기 발전량 지령값에 부합되는 최적 효율의 엔진 토크 및 모터 속도를 산출하는 과정과;
    상기 산출된 모터 속도의 토크분 전류값에 대한 속도 제어와 엔진 토크분에 대한 스로틀 개도 제어를 수행하여 전압 발전을 수행하는 과정과;
    DC 링크로부터 실제 발전량 전압을 피드백 검출하여 발전량 지령값을 보상하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전기 파워 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 DC 링크의 실제 발전량 전압과 발전량 지령값 사이의 오차가 설정된 한계값 이하를 유지하는 경우에는 발전량 지령값의 보정을 수행하지 않고 현재의 발전 지령값을 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전기 파워 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 DC 링크의 실제 발전량 전압과 발전량 지령값 사이의 오차가 설정된 한계값 이상을 유지하는 경우에 발전량 지령값의 오차 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전기 파워 제어방법.
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