KR20040074783A

KR20040074783A - 하이브리드 전기 자동차의 전원장치 및 그것의 제어방법

Info

Publication number: KR20040074783A
Application number: KR1020030010244A
Authority: KR
Inventors: 정진환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-08-26

Abstract

14V 및 42V의 전원이 모두 사용되는 하이브리드 전기 자동차의 전원 시스템에서 단방향 DC/DC 컨버터를 적용하고, 42V 배터리의 방전시에 14V의 배터리 전압을 이용하여 엔진 시동이 가능하도록 하는 것으로,

스타터 및 제너레이터의 기능이 포함되는 ISG와 상기 ISG 기동 전압 공급을 위한 제1배터리 및 부하 전원 공급을 위한 제2배터리를 포함하는 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 상기 제1배터리 및 제2배터리의 사이에 장착되어 제1배터리의 전압을 제2배터리측에 충전전압으로 공급하는 단방향 DC/DC컨버터와, 상기 제2배터리와 단방향 DC/DC 컨버터의 사이에 결선되며, 상기 제2배터리의 +단자에 애노드 단자가 접속되는 다이오드와, 상기 다이오드의 캐소드 단자에 일측단자가 접속되고 다른 단자는 상기 단방향 DC/DC 컨버터와 제1배터리의 사이 +단자에 접속되는 스위치를 포함한다.

따라서, 주 배터리에 의한 주행 모드에서 엔진 모드로 전환된 상태에서 엔진 시동의 불가능으로 판단되면 ISG 기동 전압 공급용 제1배터리의 전압을 측정하여 방전 전압 이하의 상태인지를 판단하고, 방전 전압 이하의 상태이면 스위치 접점의 온을 통해 제2배터리의 전압으로 제1배터리를 충전시키며, 제1배터리의 전압이 제2배터리의 전압 레벨로 충전되면 ISG 기동으로 엔진의 시동을 온 시키고, 엔진 시동 온 되면 스위칭 접점을 오프 상태로 절환하고, ISG의 발전 전압으로 제1배터리를 충전시켜 정상적인 전원 공급을 유지한다.

Description

하이브리드 전기 자동차의 전원장치 및 그것의 제어방법{POWER APPARATUS OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD CONTROLLING THEREOF}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 14V 및 42V의 전원이 모두 사용되는 시스템에서 단방향 DC/DC 컨버터를 적용하고, 42V 배터리의 방전시에 14V의 배터리 전압을 이용하여 엔진 시동이 가능하도록 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원장치 및 그것의 제어방법에 관한 것이다.

하이브리드 전기자동차에는 동력원으로 엔진 및 배터리를 사용하고 있으며, 엔진의 동력을 이용하여 배터리의 충전이 이루어지도록 하고 있다.

따라서, 엔진 시동을 위한 스타터(Starter)와 전압 발전을 위한 14V 발전 시스템인 제너레이터(Generator)가 구비되어 진다.

그러나, 상기한 바와 같이 스타터와 제너레이터를 각각 적용하는 경우 한정된 엔진 룸의 공간을 효율적으로 사용할 수 없으며, 각각 독립적인 장치의 설치에 따라 원가의 상승 및 각종 문제점을 발생시키게 된다.

또한, 14V 발전 시스템의 경우 생산 원가의 측면에서는 유리하다고 할 수 있으나, 발전 효율이 낮은 단점과 발전량을 부하량에 따라 조절할 수 없는 한계를 갖고 있다.

따라서, 엔진 시동을 위한 스타터와 전압 발전을 위한 제너레이터의 기능을 동시에 수행하는 ISG(Integrated Starter Generator)를 적용하고 있다.

상기한 IGS를 적용하는 경우 차량에 적용되고 있는 모든 부하에 동작 전원을 공급하는 14V 배터리와 IGS의 시동 및 발전 전압을 충전하는 42V의 배터리를 적용하며, ISG는 42V의 배터리와 직결되어 엔진 시동시에 42V 배터리의 전원을 이용한다.

또한, 양방향 DC/DC컨버터를 42V 배터리와 14V 배터리의 중간에 배치하여 정상적인 동작 상태에서는 42V의 전압을 양향방 DC/DC 컨버터를 통해 14V 배터리에 충전 전압으로 공급함과 동시에 차량내 모든 부하장치의 동작 전원으로 공급한다.

그러나, 42V 배터리가 14V 이하로 방전되는 경우에는 엔진 시동이 불가능하므로, 14V 배터리의 전압을 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 42V 배터리에 공급하여 엔진 시동이 가능한 14V의 전압으로 충전시켜 IGS를 통해 엔진 시동이 가능하도록 하며, ISG에 의한 발전으로 42V 배터리의 충전이 가능하도록 하고 있다.

전술한 바와 같이 14V 전원 시스템과 42V 전원 시스템을 모두 적용하는 종래의 하이브리드 전기 자동차에서는 양방향 DC/DC 컨버터를 적용하고 있으나, 차량내 적용되고 있는 모든 부하장치의 경우 14V의 전원 체계로 되어 있어 정상적인 상태에서 전압의 흐름은 42V의 배터리에서 14V의 배터리로 흐르는 단방향이다.

또한, 42V의 전압 체계에 부하가 생기는 경우는 ISG 하나만이 존재하고 있어 14V의 배터리에서 42V의 전압 체계로의 역동작은 거의 발생되지 않는 생태이다.

따라서, 42V의 배터리가 방전되는 경우에만 14V의 배터리에서 42V의 배터리로의 역방향 전압의 흐름이 발생되는바, 고가의 양방향 DC/DC컨버터의 사용에 있어 효율성이 저하되고, 불필요한 원가 상승을 유발시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 엔진 시동을 위한 스타터와 전압 발전을 위한 제너레이터의 기능이 하나의 장치에 집적화되는 ISG를 적용하며, 14V 및 42V의 전원 체계가 사용되는 하이브리드 전기 자동차에서 단방향 DC/DC 컨버터를 적용하고, 42V의 배터리가 방전되는 경우 12V의 배터리를 이용하여 엔진 시동이 가능하게 하고, 이에 따라 42V의 배터리 충전이 수행될 수 있도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 전원장치에 대한 개략적인 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차에서 전원제어에 대한 일 실시예의 흐름도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 스타터 및 제너레이터의 기능이 포함되는 ISG와 상기 ISG 기동 전압 공급을 위한 제1배터리 및 부하 전원 공급을 위한 제2배터리를 포함하는 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 상기 제1배터리 및 제2배터리의 사이에 장착되어 제1배터리의 전압을 제2배터리측에 충전전압으로공급하는 단방향 DC/DC컨버터와; 상기 제2배터리와 단방향 DC/DC 컨버터의 사이에 결선되며, 상기 제2배터리의 +단자에 애노드 단자가 접속되는 다이오드와; 상기 다이오드의 캐소드 단자에 일측단자가 접속되고 다른 단자는 상기 단방향 DC/DC 컨버터와 제1배터리의 사이 +단자에 접속되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원장치를 포함한다.

또한, 본 발명은 주 배터리에 의한 주행 모드에서 엔진 모드로 전환된 상태에서 엔진 시동의 불가능으로 판단되면 ISG 기동 전압 공급용 제1배터리의 전압을 측정하는 과정과; 상기 제1배터리의 전압이 설정된 방전 전압 이하의 상태를 유지하는지를 판단하는 과정과; 상기 제1배터리의 전압이 설정된 방전 전압 이하의 상태이면 스위치 접점의 온을 통해 제2배터리의 전압으로 제1배터리를 충전시키는 과정과; 제1배터리의 전압이 제2배터리의 전압 레벨로 충전되면 ISG 기동으로 엔진의 시동을 온 시키는 과정과; 엔진 시동 온 되면 스위칭 접점을 오프 상태로 절환하고, ISG의 발전 전압으로 제1배터리를 충전시켜 정상적인 전원 공급을 유지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원 제어방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 전원장치는 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1배터리(10)와 IGS(20), 단방향 DC/DC 컨버터(30), 제2배터리(40), 다이오드(D1) 및 스위치(S/W)로 이루어지는데, 제1배터리(10)는 42V용 배터리로 고전압 부하인 IGS(20)와 직결되며, 제1배터리(10)의 충전 전압이 정상적인 상태에서 엔진 시동시 IGS(20)측에 시동용 전압을 공급하고, 엔진 시동이 유지되는 상태에서 IGS(20)에서 발전되는 전압에 의해 충전되며, 차량에 구비되는 14V계의 모든 부하장치측에 동작 전원을 공급하여 준다.

IGS(20)는 엔진 시동을 위한 스타터 및 전압 발전을 제너레이터의 기능이 포함되며, 제1배터리(10)에서 공급되는 전압에 의해 엔진을 기동시켜 시동 온이 되도록 하고, 엔진이 시동 온을 유지하는 상태에서 엔진의 동력에 의해 전압을 발전하여 제1배터리(10)를 충전시킨다.

단방향 DC/DC컨버터(30)는 42V의 전압을 유지하는 제1배터리(10)의 전압을 제2배터리(40)측에 충전전압으로 공급하여 제2배터리(40)로 하여금 차량내 각 부하장치에 필요 전원을 공급할 수 있도록 한다.

제2배터리(40)는 차량내에 장착되는 각 부하장치에 전원을 공급하며, 제1배터리(10)가 설정된 전압, 예를 들어 14V 이하로 방전되어 ISG(20)를 기동시킬 수 없는 경우 제1배터리(10)의 전압이 ISG(20)의 기동에 필요한 14V가 유지될 수 있도록 충전 전압을 공급한다.

다이오드(D1)는 제2배터리(40)와 순방향으로 접속되며, 제1배터리(10)의 방전으로 제2배터리(40)의 전압으로 제1배터리(10)를 충전시키는 과정에서 제1배터리(10)와 제2배터리(40)간 전압차에 의해 제1배터리(10)의 전압이 제1배터리(40)측으로 역류하는 것을 차단하여 준다.

스위치(S/W)는 제1배터리(10)의 방전으로 인하여 ISG(20)의 기동이 불가능하여 제1배터리(10)의 충전이 필요한 경우 접점이 스위치 온 된다.

상기의 스위치(S/W)는 IGBT 스위치 소자나 FET 스위치 소자 혹은 마그네틱 컨텍터 등으로 구성 가능하며, 제1배터리(10)의 전압이 안정된 상태, 예를 들어 ISG(20)의 기동이 가능한 14V 이상의 전압을 유지하는 상태에서는 항상 오프의 상태를 유지한다.

상기에서 제1배터리(10) 및 제2배터리(40)의 그라운드는 차체에 접지된다.

또한, 상기한 구성 요소 이외에 하이브리드 전기 자동차에는 많은 구성 요소가 구비되는바, 본 발명과 직접적으로 관련 없는 부분에 대해서는 구체적인 설명은 생략한다.

전술한 바와 같은 기능을 갖는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 구성에서 제1배터리의 방전시 엔진 시동 제어를 수행하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

하이브리드 전기 자동차가 도시되지 동력원인 배터리의 전압으로 주행하는 상태에서 부하의 변동 혹은 주행 조건의 변동에 따라 엔진 모드로 전환된 상태에서 엔진 시동의 불가능한 상태로 검출되면(S101), 도시되지 않은 주 제어수단은 제1배터리(10)의 전압을 측정하여(S102) 설정된 방전전압, 즉 제2배터리(40)의 전압인 14V 이하로 방전되었는지를 판단한다(S103).

상기 S103의 판단에서 제1배터리(10)의 전압이 설정된 방전 전압 이상을 유지하고 있는 상태인 것으로 판단되면 하이브리드 전기 자동차를 구성하고 있는 다른 시스템의 이상으로 인한 엔진 시동 불가인 것으로 판단하고(S104),제1배터리(10)의 전압이 설정된 방전 전압 이상으로 방전된 것으로 판단되면 주 제어수단은 오프 상태를 유지하고 있는 스위치(S/W)의 접점을 온 상태로 절환한다(S105).

상기에서 스위치(S/W)의 접점 온의 절환 선택은 운전자의 수동 조작에 의해서도 가능하다.

상기와 같이 스위치(S/W)의 접점이 온으로 선택되면 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 다이오드(D1)를 통해 제1배터리(10)와 제2배터리(40)간의 패스가 형성되므로, 제2배터리(40)의 전압이 제1배터리(10)측에 공급되어 제1배터리(10)가 제2배터리(40)의 전압 레벨, 즉 14V까지 충전이 이루어진다(S106).

상기와 같이 제2배터리(40)의 전압에 의해 제1배터리(10)가 충전되는 상태에서 도시되지 않은 주 제어수단은 제1배터리(10)의 전압을 측정하여(S107) 제1배터리(10)의 전압 레벨이 제2배터리(40)의 전압 레벨로 형성되는지를 판단한다(S108).

충전되는 제1배터리(10)의 전압 레벨이 제2배터리(40)의 전압 레벨 이하의 상태를 유지하게 되면 상기 S106로 리턴하여 연속적인 충전 동작을 수행하고, 제1배터리(10)의 전압 레벨이 제2배터리(40)의 전압 레벨로 형성되면 주제어수단은 ISG(20)를 기동시켜 엔진의 시동을 온 시킨다(S109).

엔진 시동이 온 되면 주 제어수단은 스위치(S/W)의 접점을 오프로 절환하여 다이오드(D1)를 통해 연결되는 제1배터리(10) 및 제2배터리(40)간의 패스를 차단하고(S110), 엔진 시동 온의 유지에 따라 엔진의 동력에 의해 ISG(20)는 제너레이터의 기능으로 전압을 발전하여 제1배터리(10)를 충전함으로써 하이브리드 전기 자동차에 장착되는 각종 부하장치측에 정상적인 전원 공급이 수행된다(S111).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 부하 전원 공급을 위한 14V의 배터리와 ISG구동을 위한 42V의 배터리를 구비하는 하이브리드 전기 자동차에서 ISG 기동을 위한 42V 배터리가 설정된 전압 이하로 방전되는 경우에 부하 전원 공급을 위한 14V 배터리를 통한 충전으로 ISG를 기동시킴으로써 하이브리드 전기 자동차의 운행에 있어 안정성 및 신뢰성을 제공한다.

Claims

스타터 및 제너레이터의 기능이 포함되는 ISG와 상기 ISG 기동 전압 공급을 위한 제1배터리 및 부하 전원 공급을 위한 제2배터리를 포함하는 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

상기 제1배터리 및 제2배터리의 사이에 장착되어 제1배터리의 전압을 제2배터리측에 충전전압으로 공급하는 단방향 DC/DC컨버터와;

상기 제2배터리와 단방향 DC/DC 컨버터의 사이에 결선되며, 상기 제2배터리의 +단자에 애노드 단자가 접속되는 다이오드와;

상기 다이오드의 캐소드 단자에 일측단자가 접속되고 다른 단자는 상기 단방향 DC/DC 컨버터와 제1배터리의 사이 +단자에 접속되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원장치.
제1항에 있어서,

상기 다이오드는 전압차에 의해 제1배터리의 전압이 제2배터리로 역류하는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원장치.
제1항에 있어서,

상기 스위치는 IGBT 스위치 소자, FET 소자, 마그네틱 컨텍터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원장치.
주 배터리에 의한 주행 모드에서 엔진 모드로 전환된 상태에서 엔진 시동의 불가능으로 판단되면 ISG 기동 전압 공급용 제1배터리의 전압을 측정하는 과정과;

상기 제1배터리의 전압이 설정된 방전 전압 이하의 상태를 유지하는지를 판단하는 과정과;

상기 제1배터리의 전압이 설정된 방전 전압 이하의 상태이면 스위치 접점의 온을 통해 제2배터리의 전압으로 제1배터리를 충전시키는 과정과;

제1배터리의 전압이 제2배터리의 전압 레벨로 충전되면 ISG 기동으로 엔진의 시동을 온 시키는 과정과;

엔진 시동 온 되면 스위칭 접점을 오프 상태로 절환하고, ISG의 발전 전압으로 제1배터리를 충전시켜 정상적인 전원 공급을 유지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 방전 전압 기준은 제2배터리의 전압 레벨로 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 엔진 시동이 불가능한 상태에서 제1배터리의 전압이 설정된 방전 전압 이상을 유지하는 경우 다른 시스템의 고장에 의한 시동 불가로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 전원 제어방법.