KR100258043B1 - 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보조동력장치 제어시스템의 회로가 디지탈방식으로 구성되어 있고, 배터리충전감시기능과 엔진정속제어 기능을 구비한 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템에 관한 것이다. 보조동력장치는 엔진, 발전기, 제어시스템 및 배터리를 포함한다. 제어시스템은 정류부, 제 1 분류회로, 평활회로, 접촉기, 주제어부, 엔진정속제어부, 보조배터리, 직류전압변환부, 배터리 충전감시부, 제어상태표시부, 제 2 분류회로를 포함한다. 제어시스템의 주제어부는 제어시스템의 각부분으로부터 입력된 신호를 판단하여 각부분으로 제어신호를 보내어 전체의 시스템을 제어한다. 엔진정속제어부는 엔진의 회전속도를 검출하여 엔진의 정속제어를 행하고, 주제어부로부터 제어신호를 전달받아 엔진의 온/오프를 제어한다.

Description

복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템
본 발명은 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보조동력장치 제어시스템의 회로가 디지탈방식으로 구성되어 있고, 배터리 충전감시기능과 엔진정속제어 기능을 구비한 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템에 관한 것이다.
지구의 환경오염 문제가 날로 심각해지고 있는 요즈음 무공해 에너지의 사용은 날로 중요성을 더해가고 있다. 특히, 대도시의 대기오염 문제는 날로 심각해지고 있는데, 자동차의 배기가스는 그 주요원인 중의 하나이다.
이와 같은 상황에서 전기자동차는 대기오염 문제를 해결할 수 있는 좋은 해결수단이다. 그러나, 순수한 전기자동차는 이에 사용되는 배터리의 용적과 중량으로 인하여 차량의 내부유효공간이 협소하고 차량의 무게가 많이 나가며, 출발로부터 정상속도 또는 최고속도에 도달하기까지의 가속시간이 길다. 또한, 전기자동차는, 배터리로 전기자동차를 주행시킬 수 있는 거리가 짧기 때문에, 배터리를 자주 충전시켜야 하는 단점을 가지고 있다. 그리고, 배터리 충전시간도 가솔린자동차의 주유시간과 비교하여 너무 긴 단점을 가지고 있다.
상기 전기자동차의 주행성능 및 주행거리에 대한 단점을 보완하기 위하여 소배기량의 내연기관을 탑재한 복합전기자동차가 이용된다.
복합전기자동차는 에너지 구동방식에 따라 직렬식과 병렬식으로 나누어진다. 직렬방식은 엔진의 동력을 발전기를 통해 전력으로 변환하여 이를 전지에 충전한 후, 전지에 충전된 전력으로 전동기를 구동한다. 병렬방식은 엔진, 발전기, 구동계가 기계적으로 직결되어 엔진주행시에는 여유분의 동력을 전지에 충전하고, 전지에 의한 주행시에는 엔진이 발전기에 동력을 공급하여 전지에 전력을 공급한다.
현재 배터리를 이용한 전기자동차가 실용화되지 못한 상태에서, 전기자동차의 성능을 향상시키는 것은 바로 실용화와 직결될 수 있으므로, 이와 관련된 기술적 향상은 사소한 것이라도 매우 중요하다고 할 수 있다.
전기자동차 성능의 관건은 배터리에 있으므로, 복합전기자동차의 성능도 배터리의 성능이 많은 비중을 차지하고 있다고 할 수 있다. 그러나, 배터리의 성능이 같은 상태에서, 복합전기자동차의 성능은 보조동력장치, 더 세부적으로는 보조동력장치의 제어시스템에 달려 있다고 할 수 있다.
상기와 같은 배경에서, 보조동력장치를 효율적으로 제어하기 위해서 성능이 우수한 제어시스템을 개발하기 위한 경쟁이 매우 치열하며, 이와 관련된 기술도 나날이 향상되고 있다.
도 1은 종래의 복합전기자동차용 보조동력장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 보조동력장치 및 그 제어시스템은 엔진에 의하여 구동되는 영구자석형 발전기(10), 발전기에서 출력되는 교류전압을 직류전압으로 정류시키는 정류부(20), 정류된 직류출력파형의 전압서지를 제거시키는 평활회로부(30), 정류부의 다이리스터 게이트(Thyristor Gate)를 제어하는 제어회로부(40), 발전출력전류를 감지하는 전류감지부(50), 발전출력전압을 감지하는 전압감지부(60), 발전전압을 제어회로부(40) 및 각종 신호처리부 전원에 알맞도록 전압을 변환시켜주는 직류/직류 컨버터부(70), 발전기(10)에서 공급되어 정류된 직류전력으로 충전되는 배터리(80), 발전기(10) 및 배터리(80)에서 공급된 전력으로 구동되는 부하(90), 그리고 평활회로부(30)와 배터리(80) 및 부하(90)와의 사이에 개재되어 보조동력장치의 비정상동작시 제어회로부(40)의 지시에 의하여 배터리(80) 및 부하(90)에 공급되는 전력을 단속하는 접촉기(95)로 구성된다.
전압감지부(60)는 부하(90) 및 배터리(80)에 인가되는 전압을 감지한다. 감지된 전압이 조정하려는 전압보다 낮으면 제어회로부(40)에서 정류부(20)의 제어소자에 게이트 턴온 신호(Gate Turn-on Signal)를 인가하여 부하(90)에 전달되는 발전전력의 전압을 상승시키며, 감지전압이 조정하려는 전압보다 높으면 게이트 턴온 신호(Gate Turn-On Signal)를 제거하여 발전출력전압을 낮춘다. 상기 동작의 반복으로 전압 조정기능을 수행한다.
전류감지부(50)는 발전기(10)의 출력전류를 감지하며, 발전기 출력전류가 제한값에 도달했을 때, 제어회로부(40)에서 게이트 턴온 신호(Gate Turn-On Signal)를 제어하여 전류 클램핑을 수행한다.
발전기(10)의 출력이 과전압 또는 과전류에 도달시, 제어회로부(40)는 접촉기(95)로 턴-오프(Turn-Off) 신호를 보내어 발전기(10)로부터 배터리(80) 및 부하(90)에 공급되는 전력을 차단시킨다.
직류/직류 컨버터부(70)는 발전기로부터 공급된 출력조정전압을 제어회로부(40) 및 각종신호처리부 전원에 알맞도록 전압을 변환시켜 준다.
그러나, 상기와 같은 구성을 갖고 동작하는 종래의 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어 시스템은 전체회로가 아날로그신호에 의하여 제어되므로, 기능추가에 따른 복잡성을 가지고 또한 수정 및 보완이 까다롭다. 즉, 회로의 기능의 유연성이 떨어지고, 회로보호 기능에 한계가 있다.
이와 아울러, 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템은 엔진의 정속도 제어기능이 필요하며, 도 1에 도시한 상기의 종래기술에는 이러한 엔진의 정속도 제어기능이 없다.
또한, 복합전기자동차의 전원시스템에 관한 발명으로 일본 특개평 5-168105가 있다.
상기 일본 특허는 엔진에 의해서 구동되는 발전기의 발전전력으로 배터리를 충전하고, 발전전력과 배터리를 병용하여 전동기를 가변속구동하는 것에 의해서 주행하는 복합전기자동차의 전원장치에 있어서, 발전기의 계자전류를 조절하여 직류전압을 제어하는 전압제어수단과, 이 직류전압을 전원으로 하여 전동기를 가변속제어하는 전동기 제어수단과, 직류전압으로부터 제어용 전원을 얻는 동시에 그 직류전압에 비례되는 전압검출신호를 절연시켜 출력하는 직류/직류 컨버터와, 계자전류를 조절하여 출력을 소정전류로 억제하는 전류제한수단을 구비한다.
그러나, 상기와 같은 일본특허의 복합전기자동차용 전원시스템은 아날로그 방식으로 회로를 제어하기 때문에, 회로의 구성이 복잡하고 그에 따라 기능추가에 따른 회로의 수정이 어렵다.
본 발명은 상기의 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 복합전기자동차용 보조동력장치 제어시스템의 회로를 디지탈방식으로 구성함으로써, 기능추가에 따른 구성의 복잡함을 단순화 시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 발전기의 상전압주파수를 감지하여 엔진의 회전속도를 제어함으로써, 운전의 효율성을 높이는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 발전기의 출력전류 및 배터리의 충전상태를 파악함으로써, 보조동력장치 및 제어시스템의 회로를 보호하고 나아가서는 최적화된 효율운전이 되도록 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 엔진과, 엔진에 의해서 구동되는 발전기와, 발전기의 출력전력으로 충전되는 배터리와, 발전기의 출력과 상기 배터리에 의해서 구동되는 부하를 포함하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템에 있어서,
발전기에서 출력되는 3상교류전력을 직류전력으로 변환시키는 정류부와, 정류부에서 정류된 발전기의 출력파형을 평활시키는 평활회로부와, 평활회로부와 배터리 및 부하와의 사이에 개재되어 배터리 및 부하에 공급되는 전력을 단속하는 접촉기와, 제어시스템의 각부분으로부터 입력된 신호를 판단하고 각부분으로 제어신호를 보내어 보조동력장치 및 제어시스템의 각 부분을 제어하는 주제어부와, 그리고 엔진으로부터 트로틀 위치 시그널과 엔진의 회전속도 신호를 검출하여 엔진 정속제어를 하고, 주제어부와의 신호교신에 의해서 엔진의 회전속도 및 엔진의 온/오프를 제어하는 엔진 정속제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템의 주제어부는 발전기 출력전류 감지부와, 배터리 충전전압 감지부와, 배터리 충전전류 감지부와, 상기 발전기 출력전류 감지부, 상기 배터리 충전전압 감지부, 상기 배터리 충전전류 감지부의 출력신호들을 상기 제 1 마이크로콘트롤러가 판단하여 공급하는 제어신호들에 의해서 구동되는 AND GATE 논리회로와, AND GATE 논리회로의 출력에 의해서 구동되는 SCR 게이트 구동부와, 그리고 SCR 게이트 구동부를 구동시키기 위한 구형파를 AND GATE 논리회로로 출력시키기 위한 구형파 발진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 주제어부는 연료의 양을 감지하여 신호변환하고, 그 변환된 신호를 상기 제 1 마이크로콘트롤러로 출력하는 연료 잔존량 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
주제어부는 상기 제 1 마이크로콘트롤러의 제어신호에 의해서 상기 접촉기를 온/오프시키는 접촉기 온/오프 제어구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
주제어부의 AND GATE 논리회로는 제 1 마이크로콘트롤러에서 판단하여 출력되는 발전기 출력전류, 배터리 충전전압 및 배터리 충전전류에 관한 신호가 모두 하이(HIGH)일 때에만 구형파 발진기에서 출력되는 구형파가 SCR 게이트 구동부에 입력되도록 하는 것을 특징으로 한다.
SCR GATE 구동부는 정류부와 주제어부와의 접지를 절연분리시키도록 펄스 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
발전기 출력전류감지부, 배터리 충전전압감지부 및 배터리 충전전류감지부의 접지는 제 1 마이크로콘트롤러의 접지와 절연분리되도록 하고, 접지 절연분리수단은 포토커플러인 것을 특징으로 한다.
엔진 정속제어부는 엔진의 정속제어를 위하여 트로틀밸브를 구동시키는 직류모터를 제어하기 위한 트로틀밸브 구동제어부와, 트로틀밸브 구동제어부의 스위칭동작을 위한 배전압회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 엔진 정속제어부는 엔진의 회전속도를 감지하기 위하여 발전기 상전압주파수 감지부와 엔진의 회전속도에 관한 감지된 주파수 신호를 전압신호로 변환하기 위한 주파수/전압 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 엔진과, 제 1, 제 2 마이크로프로세서와 신호처리부의 전원으로 사용되는 보조 배터리를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 보조 배터리의 전압을 제 1 마이크로프로세서, 제 2 마이크로프로세서와 신호처리부에 필요한 전압으로 변환시켜 주는 직류/직류 전압변환부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 배터리의 충전상태를 체크하며 상기 배터리의 정상동작을 판별하는 배터리 충전감시부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 배터리의 충전상태에 따라 엔진의 온/오프를 제어하고, 엔진 계속 온을 설정하여 배터리 충전상태에 관계없이 엔진을 계속 온시킬 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 주제어부의 제어신호에 따라 전체 시스템의 동작 및 제어상태를 사용자가 인지할 수 있도록 제어상태를 출력하는 제어상태 표시부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 정류부에서 출력되는 전류를 검출하여 이 검출된 전류에 관한 신호를 주제어부로 출력하고, 정류부를 통과한 발전기의 출력전력은 평활회로를 통해서 부하측으로 계속 송신되도록 하는 제 1 분류회로를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 접촉기를 통과한 전력이 배터리에 충전되도록 하고, 배터리에 충전되는 전류의 양을 검출하여 주제어부로 출력하는 제 2 분류회로를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 감지된 배터리의 전압을 인식한 주제어부가 정류부를 제어하여 전압을 조정함으로써 배터리의 과전압을 방지하고, 발전기의 출력전류를 클램핑함으로써 과전류가 부하에 인가되는 것을 방지하며, 배터리에 충전되는 전류를 클램핑함으로써 배터리에 과전류가 충전되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
제어시스템은 엔진정속제어부가 엔진으로부터 트로틀 위치 신호와 엔진의 회전속도 신호를 입력으로 하여 엔진의 정속제어를 수행하고, 주제어부와 교신하여 엔진의 회전속도와 엔진의 온/오프를 제어하며, 엔진이 소프트 스타트/정지 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템의 구성을 보인 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제어시스템의 주제어부의 구성을 보인 블럭도이다.
도 4A, 4B, 4C는 본 발명에 따른 제어시스템의 주제어부의 구성부분에 대한 상세 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제어시스템의 엔진 정속제어부의 구성을 보인 블럭도이다.
도 6A, 6B는 본 발명에 따른 제어시스템의 엔진 정속제어부의 구성부분인 트로틀밸브 제어구동부 및 배전압회로에 대한 상세회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제어시스템의 직류/직류 전압변환기의 회로도이다.
도 8A, 8B, 8C는 본 발명에 따른 보조동력장치의 제어흐름을 나타내는 플로우 챠트이다.
** 도면부호 **
10, 200 : 발전기, 20, 320 : 정류부
80, 600 : 배터리, 422 : 배터리 충전전압 감지회로
424 : 발전기 출력전류 감지회로, 426 : 배터리 충전전류 감지회로
SHUNT1 : 분류저항, SHUNT2 : 분류저항
IC1, IC4, IC7, IC10 : 연산 증폭기, IC3, IC6, IC9 : 포토 커플러
428 : AND GATE 논리회로, 430 : 제 1 마이크로콘트롤러
432 : SCR 게이트 구동회로, 434 : 구형파 발진기
436 : 접촉기 온/오프 구동제어부, 438 : 연료잔존량 감지회로
VCC1, VCC2, VCC3, VCC4 : 신호 전원
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하겠다.
도 2는 본 발명에 따른 복합전기자동차용 보조동력장치 및 제어시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
보조동력장치는 엔진(100)과, 엔진에 의해서 구동되는 발전기(200)와, 엔진(100) 및 발전기(200)를 포함한 보조동력장치를 제어하는 제어시스템(300)과, 발전기(200)에서 출력되는 전력으로 충전되는 배터리(600)와, 발전기(200)의 출력전력 및 배터리(600)의 충전전력으로 구동되는 부하(700)를 포함한다.
엔진(100)은 제어시스템(300)의 신호에 따라 엔진의 온/오프를 제어하는 엔진제어부(120)를 포함한다.
발전기(200)는 영구자석형 발전기로 엔진(100)의 구동에 의하여 3상교류전력을 발생시킨다.
제어시스템(300)은 보조동력장치를 제어하며, 엔진(100)에 의하여 구동되는 발전기(200)로부터 발생된 전력이 배터리(600) 및 부하(700)로 유효하게 전달되도록 하고 장치의 에너지 효율을 최적화하도록 한다.
제어시스템(300)은 SCR정류부(320), 제 1 분류회로(340), 평활회로(360), 접촉기(380), 주제어부(420), 엔진 정속제어부(440), 보조배터리(460), 직류/직류 전압변환부(480), 배터리 충전감시부(520), 제어상태 표시부(540), 제 2 분류회로(560)를 포함한다.
정류부(320)는 발전기(200)의 3상 교류출력을 직류로 변환시키고, SCR(Silicon Controlled Rectifier)의 스위칭제어가 가능하다.
제 1 분류회로(340)는 분류저항을 통해서 발전기의 출력전류를 검출한다.
평활회로(360)는 정류부(320)를 통해서 직류로 정류된 전압파형이 많은 리플을 포함하고 있으므로, 안정된 전압공급을 위해서 거친 전압파형을 평활시킨다.
접촉기(380)는 보조동력장치의 동작에 이상이 있을 때, 주제어부(420)로부터 제어신호를 받아 배터리(600) 및 부하(700)에 공급되는 전력을 단속한다.
주제어부(420)는 보조동력장치 및 제어시스템의 각 부분을 제어한다.
엔진정속제어부(440)는 엔진(100)의 회전속도를 감지하고 주제어부(420)로부터 제어신호를 공급받아 엔진(100)의 정속운전을 제어한다.
보조배터리(460)는 엔진의 점화를 위해서 사용되고, 또한 전압변환기(480)를 거쳐 제어시스템 각 신호처리부의 전원으로 사용된다.
직류/직류 전압변환부(480)는 보조배터리(460)의 출력전압을 신호처리부 전원에 알맞도록 변환시킨다.
배터리 충전감시부(520)는 배터리(600)의 출력전류 및 충전상태를 점검하고 이에 대한 신호를 주제어부(420)로 출력한다.
제어상태표시부(540)는 주제어부(420)로부터 신호를 공급받아 보조동력장치의 제어상태를 표시한다.
제 2 분류회로(560)는 배터리(600)의 충전전압 및 충전전류를 검출하여 주제어부(420)로 공급한다.
도 3은 제어기 주제어부(420)의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 4A, 4B, 4C, 4D는 주제어부 구성부분의 상세회로도이다.
주제어부(420)는 제 1 마이크로콘트롤러(430), 배터리 충전전압감지부(422), 발전기 출력전류감지부(424), 배터리 충전전류감지부(426), AND GATE 논리회로(428), SCR GATE 구동부(432), 구형파 발진기(434), 접촉기 온/오프 제어구동부(436), 그리고 연료 잔존량 감지부(438)를 포함한다.
제 1 마이크로콘트롤러(430)는 주제어부(420)의 각 부분으로부터 신호를 수신하고, 그 신호를 기준치와 비교한다. 그리고, 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 비교결과로부터 각 부분의 상태를 판단하여 그 결과에 따라 제어기(300)의 각부분으로 제어신호를 츨력시킨다. 특히, 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 배터리충전감시부(520)로부터 배터리의 이상과 충전상태 신호를 수신하며, 제 2 마이크로콘트롤러로부터(450)로부터 리셋신호를 수신하고, 운전자의 조작에 의해 제어되는 외부스위치로부터 엔진계속 온 신호를 수신한다.
배터리 충전전압감지부(422)는 배터리(600)에 입력되는 배터리의 충전전압을 저항 R1과 R2를 통하여 감지하고, 이에 대한 신호를 연산증폭기(Operational Amplifier:OP AMP)(IC1) 및 저역통과필터(Low Pass Filter)(IC2)를 통해서 증폭 및 저역통과 필터링하며, 이 신호를 포토커플러를 포함하고 있는 IC3을 통해서 제 1 마이크로콘트롤러(430)로 출력시킨다.
발전기 출력전류감지부(424)는 제 1 분류회로(340)를 통하여 검출된 발전기의 출력전류를 감지하여 OP AMP(IC4)를 통하여 신호를 증폭하고, 증폭된 신호를 저역통과필터(IC5)에서 필터링하여 이 신호를 포토커플러(IC6)를 통해서 제 1 마이크로콘트롤러(430)로 출력시킨다.
배터리 충전전류감지부(426)는 제 2 분류회로(560)를 통하여 검출된 배터리의 출력전류를 감지하고, OP AMP(IC7), 저역통과필터(IC8) 및 포토커플러(IC9)를 통하여 증폭 및 여파하며, 이 증폭 및 여파된 신호를 제 1 마이크로콘트롤러(430)로 출력시킨다.
배터리 충전전압감지부(422), 발전기 출력전류감지부(424) 및 배터리 충전전류감지부(426)에서 사용된 포토커플러(IC3, IC6, IC9)는 각 감지부와 제 1 마이크로콘트롤러(430)와의 접지를 절연분리시킨다.
AND GATE 논리회로(428)는 발전기 출력전류감지부(422), 배터리 충전전압감지부(424), 배터리 충전전류감지부(426)에서 제 1 마이크로콘트롤러(430)로 출력된 신호들에 의해서 구동되고, 상기 신호들이 모두 하이(HIGH)상태일 때만 구형파발진기(434)에서 출력되는 구형파가 SCR GATE 구동부(432)의 트랜지스터(Q1)의 베이스단자에 입력되도록 한다.
SCR GATE 구동부(432)는 AND GATE 논리회로(428)를 통하여 입력된 구형파발진기(434)의 출력파형을 펄스트랜스포머를 통하여 SCR정류부(320)의 각 정류소자로 제어신호를 보낸다. 이 제어신호에 의해서 정류부(320)의 각 SCR의 스위칭이 제어된다. 펄스트랜스포머는 제 1 마이크로콘트롤러(430)측과 SCR GATE 구동부(432)를 포함한 정류부(320)측과의 접지를 절연분리시켜 회로 및 소자들이 보호되도록 한다.
구형파 발진기(434)는 SCR GATE 구동부(432)에 인가시키기 위한 파형을 발진하여 AND GATE 논리회로(428)로 출력시킨다. 구형파 발진기(434)는 SCR을 온시키기에 적당한 주파수와 듀티싸이클의 구형파를 발진출력시킨다.
접촉기 온/오프 제어구동부(436)는 제 1 마이크로콘트롤러(430)에서 인가되는 제어신호에 의하여 접촉기(380)를 온/오프시키도록 한다. 즉, 제 1 마이크로콘트롤러(430)가 제어기의 각 부분에서 수신한 신호를 판단하여 보조동력장치의 동작 상태에 이상이 있을 때 제어신호를 접촉기 온/오프 제어구동부(438)로 출력하고, 접촉기 온/오프 제어구동부(438)는 이 신호에 따라 접촉기(380)를 오프시켜 배터리(600) 및 부하(700)에 인가되는 전력의 공급이 단절되도록 한다. 그리고, 보조동력장치의 동작이상 등이 해결되었을 때, 제 1 마이크로콘트롤러(430)에서 출력된 제어신호가 접촉기 온/오프 제어구동부(436)를 제어하여 접촉기(380)를 온시키도록 한다.
연료잔존량 감지부(438)는 연료탱크(미도시)의 연료의 양을 감지하여 IC10을 통해서 신호를 제 1 마이크로콘트롤러(430)로 출력시킨다.
도 5는 제어기의 엔진 정속제어부의 구성을 나타내는 블록도이고, 도6은 그 회로도이다.
엔진 정속제어부(440)는 트로틀밸브 제어구동부(442), 배전압회로(444), 발전기 상전압주파수 감지부(446), 주파수/전압 변환부(448)를 포함한다. 또한, 엔진 정속제어부(440)는 엔진(100)으로부터 직접 회전속도신호를 검출하는 수단과 발전기 상전압주파수 감지부(448) 및 주파수/전압 변환부(448)를 통하여 회전속도신호를 검출하는 수단을 절환시키기 위한 스위치(S/W)를 포함한다.
제 2 마이크로콘트롤러(450)는 엔진정속제어를 위하여 엔진제어유니트(ECU)로부터 엔진속도신호와 트로틀 위치신호를 수신한다. 또한, 제 2 마이크로콘트롤러(450)는 엔진제어를 위하여 주제어부의 제 1 마이크로콘트롤러(430)로부터 리피트와 온신호를 수신하고, 엔진의 온/오프제어를 위해서 스타터 모터 릴레이(미도시)와 엔진 전원 릴레이(미도시)에 신호를 공급한다.
제 2 마이크로콘트롤러(450)는 엔진(100) 회전속도 감지수단(미도시) 및 발전기 상전압주파수 감지부(446)를 통하여 엔진의 회전속도를 수신하고, 이 회전속도신호를 판단하여 트로틀 밸브제어구동부(442)로 제어신호를 출력시킨다.
엔진의 회전속도를 검출 및 변화시키기 위한 수단으로 상기 발전기 상전압주파수 감지수단(446)외에 Hall Sensor, Encoder 및 Resolver를 이용할 수 있다.
트로틀밸브 제어구동부(442)는 제 2 마이크로콘트롤러(450)의 제어신호에 따라 트로틀밸브(미도시)를 제어하는 직류모터(미도시)를 구동시킨다. 트로틀밸브 제어구동부(442)는 트랜지스터들로 H-Bridge를 구성하여 직류모터를 구동시킨다. 이 직류모터의 구동으로 트로틀밸브의 각도가 제어되고, 이에 의해서 엔진(100)의 회전속도가 조절된다.
배전압 회로(444)는 VCC5가 VCC1의 두배가 되도록 동작하고, VCC5는 Q2와 Q4의 게이트단자에 인가되며 트로틀 밸브제어구동부(442)의 H-BRIDGE 회로의 스위칭동작이 이루어지도록 한다.
도 7은 보조배터리의 전압을 각 신호처리부의 전원전압으로 변환시키는 직류/직류 전압변환기의 구성을 나타내는 회로도이다.
직류/직류 전압변환기(480)는 보조배터리(460)의 전압을 제 1 마이크로 콘트롤러(430), 제 2 마이크로콘트롤러(450) 및 각 신호처리부의 전원에 적합한 전압으로 변환시킨다. 펄스 트랜스포머를 사용하여 전압을 변환시키므로 트랜스포머의 1차측과 2차측의 접지가 절연분리된다. 또한, 펄스 트랜스포머의 2차측의 각 전압출력부는 독립적으로 접지되어 있으므로, 어느 한 전압을 사용하는 부분에 이상이 있더라도 다른 전압을 사용하는 회로 및 소자가 보호되도록 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 보조동력장치 및 제어시스템의 제어방법 그리고 상세한 동작을 도 2, 3, 4, 5, 6, 7 및 본 발명의 제어흐름을 보인 도 8A, 8B, 8C를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 보조동력장치의 제어동작은 초기 시스템의 상태를 점검하는 초기점검모드(도 8A)와, 발전기의 출력 및 배터리의 충전상태를 제어하기 위한 발전기 제어모드(도 8B)와, 엔진을 정속제어하기 위한 엔진정속제어모드(도 8C)를 포함한다.
도 8A에 도시된 바와 같이, 초기점검모드는 다음과 같이 이루어진다.
먼저 배터리 충전감시부(Battery Care Unit:BCU)(520)와, 부하인 주행구동모터(Motor Drive)(700) 및 제어기(300)를 온시킨다.(S1)
상기와 같이 제어기(300) 및 부하(700)가 온되면, 보조동력장치 제어시스템의 초기 시스템 점검이 시작된다.
제어시스템은 발전기(200)의 전압 및 전류가 정상범위내에 있는지 제 1 분류회로(340) 및 주제어부(420)의 발전기 출력전류감지부(422)를 통하여 감지한다. 주제어부의 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 감지된 전압 및 전류가 정상범위내에 있지 않다고 판단되면, 제어상태 표시부(540)로 신호를 출력하여 제어상태 표시부(540)의 시스템 체크램프와 ZEV(Zero Emission Vehicle)램프를 점등시키며 시스템이 안정될 때까지 다음단계를 진행시키지 않는다.(S2)
제어시스템은 시스템 안정판별단계에서 시스템이 안정되었다고 판단되면, 연료점검을 시작한다.
제어시스템 주제어부의 제 1 마이크로 콘트롤러(430)는 연료점검모드에서 연료잔존량감지부(438)를 통하여 감지된 연료잔존량이 설정된 하한치보다 적게 있다고 판단되면, 제어상태 표시부(540)의 시스템체크램프와 ZEV램프를 점등시키며, 연료의 양이 설정치를 충족시킬 때까지 다음단계를 진행시키지 않는다(S3).
제어시스템은 연료잔존량이 설정하한치보다 많다고 판단되면, 다음 단계를 진행시킨다.
제어시스템은 배터리 팩(600)의 충전상태를 점검하여 충전상태가 설정된 조건을 만족시키지 못하면 ZEV램프를 점등시키고 충전상태가 설정조건을 만족할 때까지 다음단계를 진행시키지 않는다.(S4)
상기와 같은 초기시스템 점검이 완료되면, HEV램프가 점등되고(S5), 발전기제어모드와 엔진정속제어모드가 동시에 시작된다.
발전기제어모드에서는 제 1 마이크로콘트롤러(430)에 의해 발전기 출력전압 및 전류 그리고 배터리팩(600)의 충전상태등이 제어됨으로써 시스템의 보호기능이 수행된다.
발전기제어모드는 상기 초기점검모드가 완료된 후, 주제어부(420)의 제 1 마이크로콘트롤러(430)가 발전기 전압 및 전류, 배터리 충전상태, 그리고 발전기의 고정자 온도에 대한 신호를 수신함으로써 시작된다.(S6)
제어기의 주제어부(420)는 상기 초기 시스템 점검이 완료된후 정류부(320)의 게이트 단자를 제어함으로써, 발전기(200) 출력전압의 조정을 수행한다. 도 3 및 도 4를 참조하여 전압조정이 수행되는 동작 및 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
발전기 출력전압이 배터리 충전전압감지부(424)의 저항 R1과 R2를 이용한 전압분배방식으로 감지되고, IC1과 IC2를 통하여 증폭 및 Low Pass Filtering된다. IC3는 포트커플러를 이용하여 배터리 충전전압감지부(424)와 제 1 마이크로콘트롤러(430) 사이를 절연접지시키면서 아나로그 신호를 제 1 마이크로콘트롤러의 아날로그-디지탈 컨버터의 입력측에 전달한다. 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 수신된 아나로그 입력을 미리 설정해둔 기준값과 비교하여 출력 포트를 통하여 하이/로우 출력시킴으로써, 발진기(434)의 입력과 함께 AND GATE 논리회로(428)를 통과시킨다. SCR게이트 구동부(432)의 트랜지스터(Q1)는 AND GATE 논리회로(428)의 출력에 의해서 스위칭상태가 결정되고, 이에 의해서 펄스트랜스를 통하여 SCR Cathode단자와 게이트단자에 대한 펄스의 인가유무가 결정된다. SCR은 게이트단자에 적당한 크기의 전압, 전류와 시간폭(듀티 싸이클)만 제공되면 Turn-ON된다. 게이트단자에 펄스가 인가되어 SCR이 도통되면 발전출력이 배터리 팩(600)으로 전달되므로 배터리팩의 전압이 상승되고, 게이트단자에 펄스가 인가되지 않으면 배터리팩(600)의 전압이 하강된다. 이와 같은 과정을 거쳐 출력전압의 조정이 수행된다.
SCR 게이트구동부(432)의 펄스트랜스포머는 제어부와 정류소자의 접지를 분리시키고, 정류소자(SCR)를 제어시키기 위해 사용되었다. 또한, 구형파발진기(434)의 주파수는 항상 SCR을 도통시킬 수 있는 동일한 주파수로 선정되고, 듀티사이클은 SCR이 도통가능한 최소폭으로 선정된다.
이와 동시에, 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 배터리 팩이 정상동작상태에 있는지(S7), 설정된 정상동작전압 범위에 있는지 체크한다(S8, S9). 체크결과, 배터리 팩이 비정상동작을 하거나 비정상동작 전압범위에 있으면, 제어상태표시부(540)의 시스템체크 램프를 점등시키고(S13), 제 2 마이크로콘트롤러(450)에 리피트(Repeat)신호를 보내어 엔진 회전수를 감소시킨다(S12). 단계 S12후 낮은 회전수에서 시스템이 정상으로 동작하면 상기 S6으로 복귀하고, 계속적으로 비정상동작이면 제 2 마이크로콘트롤러(450)에 신호를 보내어(S18) 엔진을 오프시킨다(S19).
또한, 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 발전기의 출력전류 및 발전기의 고정자 온도가 설정범위내에 있는지를 점검하여(S10, S11), 점검결과가 정상이면 단계 14로 진행하고, 점검결과가 비정상이면 S12 및 S18, S19를 수행한다.
상기 S7-11후 S12, S18을 수행하면서 제 1 마이크로콘트롤러(430)가 정류부(320)의 게이트단자를 제어함으로써 배터리 팩(60)의 충전전류제한, 발전기(200)의 출력젼류 제한기능을 수행한다(S14).
단계 14(S14)후 엔진 계속 모드인지를 제 1 마이크로콘트롤러(430)가 점검하여 엔진 계속 모드이면 S17의 연료점검을 하고, 엔진 계속 모드가 아니라면 S16의 배터리 충전상태를 점검한다(S15).
상기 S15후 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 배터리 팩(600)의 충전상태를 체크하여 충전상태가 상한치보다 크다면 제 2 마이크로콘트롤러(450)에 신호를 보내 엔진을 오프시킨다(S16, S19). 수동조작에 의해서 제어시스템이 엔진계속 온모드라면 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 충전상태에 관계없이 엔진(100)을 계속 온시키며, 제어상태표시부(540)의 엔진계속 온램프를 점등시킨다(S15).
상기 S15에서 제 1 마이크로콘트롤러(430)는 시스템이 엔진계속 온모드이면 연료잔존량감지부(438)를 통해서 검출된 연료량을 체크하고, 연료량이 하한치보다 작을 때에는 제 2 마이크로콘트롤러(450)에 신호를 보내 엔진을 오프시키며(S17, S19), 제어상태표시부의 시스템체크 램프를 점등시킨다(S20).
엔진정속제어모드는 발전기제어모드와 동시에 접촉기(380)와 엔진(100) 및 엔진제어유니트(120)가 온되면서 시작된다(S21). 상기 S6-20의 발전기제어모드가 수행되면서, 엔진(100)이 소프트 스타트를 하게된다(S22). 제 2 마이크로콘트롤러(450)는 S22후 엔진(100)의 회전속도를 발전기 상전압주파수 감지부(446)를 통하여 검출하고, 주파수/전압 변환기(F/V CONVERTER)(448)를 통하여 변환된 엔진의 속도신호를 수신하여 기준치와 비교한다(S23). 비교결과, 엔진의 회전속도가 기준치보다 작으면 S22로 복귀하고 기준치보다 크면 엔진의 정속제어를 수행한다(S24). 엔진 정속제어는 트로틀밸브의 제어를 통하여 이루어진다.
제 2 마이크로콘트롤러(450)가 제 1 마이크로콘트롤러(430)로부터 오프신호를 받으면 엔진을 아이들링 속도까지 SOFT STOP시키고(S25, S27, S28), 제 1 마이크로콘트롤러(430)을 리셋시켜 접촉기(380), 엔진 제어유니트(120)를 오프시킴으로써, 엔진(100)을 오프시킨다(S33).
제 2 마이크로콘트롤러(450)가 제 1 마이크로콘트롤러(430)로부터 Repeat Signal을 받으면 엔진을 Idle RPM까지 Soft Stop시키고 소정의 지연시간을 준다(S25, S26, S29, S30, S31). 이 지연시간동안 시스템이 정상상태로 환원되면 엔진(100)을 소프트-스타트시키고, 정상상태로 환원되지 못하면 제 1 마이크로콘트롤러(420)를 리셋시키고 접촉기(380) 및 엔진(100)을 오프시킨다(S32, S33). 리피트 신호가 계속해서 반복될 경우 역시 제 1 마이크로콘트롤러(430)를 리셋시키고 접촉기 및 엔진을 오프시킨다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
제어시스템은 발전기(200)의 출력전압을 조정하여 과전압 및 저전압 상태를 방지하고, 발전기의 출력전류를 제한(clamping)하여 과전류 방지기능을 수행하며, 동시에 배터리 팩(600)의 과충전전류를 제한(clamping)할 수 있다.
엔진의 소프트 스타트 및 소프트 스톱이 가능하고, 시간조절도 가능하며, 정속 제어시 발전기 상전압 주파수를 감지하여 제어함으로써 효율적인 제어가 이루어지도록 한다.
또한, 연료잔존량을 체크하여 연료잔존량이 기준치에 모자랄 때에는 엔진을 온시키지 않음으로써, 엔진을 보호할 수 있다.
발전기의 스테이터 온도를 체크하여 과온으로 인한 발전기 영구자석의 감자현상을 방지함으로써, 발전기 및 전체시스템의 효율을 높일 수 있도록 한다.

Claims (19)

  1. 엔진과, 상기 엔진에 의해서 구동되는 발전기와, 상기 발전기의 출력전력으로 충전되는 배터리와, 상기 발전기의 출력과 상기 배터리에 의해서 구동되는 부하를 포함하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템에 있어서,
    상기 발전기에서 출력되는 3상교류전력을 직류전력으로 변환시키는 정류부와,
    상기 정류부에서 정류된 발전기의 출력파형을 평활시키는 평활회로부와,
    상기 평활회로부와 상기 배터리 및 부하와의 사이에 개재되어 상기 배터리 및 상기 부하에 공급되는 전력을 단속하는 접촉기와,
    상기 제어시스템의 각부분으로부터 입력된 신호를 판단하고 각부분으로 제어신호를 보내어 보조동력장치 및 제어시스템의 각 부분을 제어하는 주제어부와, 그리고
    상기 엔진으로부터 트로틀 위치 시그널과 엔진의 회전속도 신호를 검출하여 엔진 정속제어를 하고, 상기 주제어부와의 신호교신에 의해서 엔진의 회전속도 및 엔진의 온/오프를 제어하는 엔진 정속제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주제어부는 발전기 출력전류 감지부와, 배터리 충전전압 감지부와, 배터리 충전전류 감지부와, 상기 발전기 출력전류 감지부, 상기 배터리 충전전압 감지부, 상기 배터리 충전전류 감지부의 출력신호들을 상기 제 1 마이크로콘트롤러가 판단하여 공급하는 제어신호들에 의해서 구동되는 AND GATE 논리회로와, 상기 AND GATE 논리회로의 출력에 의해서 구동되는 SCR 게이트 구동부와, 그리고 상기 SCR 게이트 구동부를 구동시키기 위한 구형파를 상기 AND GATE 논리회로로 출력시키기 위한 구형파 발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 주제어부는 연료의 양을 감지하여 신호변환하고, 그 변환된 신호를 상기 제 1 마이크로콘트롤러로 출력하는 연료 잔존량 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 주제어부는 상기 제 1 마이크로콘트롤러의 제어신호에 의해서 상기 접촉기를 온/오프시키는 접촉기 온/오프 제어구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 AND GATE 논리회로는 상기 제 1 마이크로콘트롤러에서 판단하여 출력되는 발전기 출력전류신호, 배터리 충전전압신호, 배터리 충전전류에 관한 신호가 모두 하이(HIGH)일 때에만 상기 발진기에서 출력되는 구형파가 상기 SCR 게이트 구동부에 입력되는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 SCR GATE 구동부는 상기 정류부와 상기 주제어부의 접지를 절연분리시키도록 펄스 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 발전기 출력전류감지부, 상기 배터리 충전전압감지부 및 상기 배터리 충전전류감지부의 접지들은 상기 제 1 마이크로콘트롤러의 접지와 절연분리되도록 하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 접지 절연분리수단은 포토커플러인 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진 정속제어부는 엔진의 정속제어를 위하여 트로틀밸브를 구동시키는 직류모터를 제어하기 위한 트로틀밸브 구동제어부와, 상기 트로틀밸브 구동제어부의 스위칭동작을 위한 배전압회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 엔진 정속제어부는 엔진의 회전속도를 감지하기 위하여 발전기 상전압주파수 감지부와 상기 감지된 엔진의 회전속도에 관한 주파수 신호를 전압신호로 변환하기 위한 주파수/전압 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진과, 상기 제 1, 제 2 마이크로프로세서와 신호처리부의 전원으로 사용되는 보조 배터리를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 보조 배터리의 전압을 제 1 마이크로프로세서, 제 2 마이크로프로세서와 신호처리부에 필요한 전압으로 변환시켜 주는 직류/직류 전압변환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리의 충전상태를 체크하며 상기 배터리의 정상동작을 판별하는 배터리 충전감시부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 배터리 충전감시부로부터 배터리충전상태를 감지하고 상기 배터리의 충전상태에 따라 상기 엔진을 온/오프 제어하며, 엔진 계속 온을 설정하여 배터리 충전상태에 관계없이 엔진을 계속 온시킬 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 주제어부의 제어신호에 따라 전체 시스템의 동작 및 제어상태를 사용자가 인지할 수 있도록 제어상태를 출력하는 제어상태 표시부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 정류부에서 출력되는 전류를 검출하여 이 검출된 전류에 관한 신호를 상기 주제어부로 출력하고, 상기 정류부를 통과한 상기 발전기의 출력전력은 상기 평활회로를 거쳐 부하측으로 계속 송신되도록 하는 제 1 분류회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉기를 통과한 전력이 상기 배터리에 충전되도록 하고, 상기 배터리에 충전되는 전류의 양을 검출하여 상기 주제어부로 출력하는 제 2 분류회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    감지된 상기 배터리의 전압을 인식한 상기 주제어부가 상기 정류부를 제어하여 전압을 조정함으로써 상기 배터리의 과전압을 방지하고, 상기 발전기의 출력전류를 클램핑함으로써 과전류가 상기 부하에 인가되는 것을 방지하며, 또한 상기 배터리에 충전되는 전류를 클램핑함으로써 상기 배터리에 과전류가 충전되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진정속제어부가 상기 엔진으로부터 트로틀 위치 신호와 상기 엔진의 회전속도 신호를 입력으로 하여 상기 엔진의 정속제어를 수행하고, 상기 주제어부와 교신하여 상기 엔진의 회전속도와 상기 엔진의 온/오프를 제어하며, 상기 엔진이 소프트 스타트/정지 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 복합전기자동차용 보조동력장치의 제어시스템.
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