KR100334555B1

KR100334555B1 - 전기자동차의회생제동제어방법및제어장치

Info

Publication number: KR100334555B1
Application number: KR1019940030000A
Authority: KR
Inventors: 무또오노부요시; 가네꼬사또루; 마사끼료소; 오오마에쯔또무
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1994-11-16
Publication date: 2002-11-27
Also published as: KR950013815A; US5583406A; JP3232823B2; DE4440823A1; JPH07143611A

Abstract

배터리가 회생에너지를 회수할 수 없는 과충전상태에 있다고 평활콘덴서의 단자전압으로부터 전압레벨판정기가 판정한 경우, 회생/환류모드 선택기는 에너지를 소비하는 환류모드로 교체한다. 그리고, 토오크전류 감소신호발생기는 여자전류성분만이 일차권선에 흐르고 전동기에 구동토오크가 발생되지 않도록 제어를 실행하고, 전동기내부의 열손실로서 배터리의 에너지가 소비된다. 그래서, 과충전상태가 회피되어 에너지 회수능력이 회복되면, 회생/환류모드 선택기는 회생제동력이 얻어지는 회생모드로 교체한다.

Description

전기자동차의 회생제동 제어방법 및 제어장치

본 발명은 전기자동차의 회생제동(regeneration braking) 제어방법 및 제어장치에 관한 것으로, 특히 배터리 및 교류전동기를 탑재한 전기자동차의 회생제동제어에 관한 것이다.

종래의 전기자동차의 회생제동 제어방법으로서는, 예를 들어 일본 특개평 1-126103호(1989) 공보에 개시되어 있다. 전기자동차의 제동시에 있어서, 주행용 전동기에 의해 회생제동을 기계적 제동보다도 우선적으로 작동시키고, 상기 회생제동을 확실히 작동시킴으로써, 회생에너지를 유효하게 배터리에 회수시키는 방법이 기재되어 있다.

그러나, 상기 종래 기술에는, 배터리의 상태에 있어서는, 배터리에 회생에너지를 회수하는 능력이 없고, 그 결과 회생제동력이 부족하며, 소정의 제동력이 얻어지지 않는 경우가 있다. 예를 들면, 배터리가 과충전의 경우에 이와 같은 상태가 출현한다. 이 때에, 배터리는 에너지를 회수하는 여지가 없는 상태이기 때문에, 배터리회생에너지를 회수시키도록 하여도 이것을 회수하지 못한다. 이에 의해서, 회생제동시 배터리가 불행하게도 과충전상태이면, 소정 회생제동력을 얻지 못한 경우가 생긴다.

또한, 전기자동차의 회생제동방법으로서, 전기자동차에 저항기와 스위칭소자를 부가하고, 여분의 회생에너지를 소비하는 방법도 공지되어 있다. 그러나, 이 방법에 의해 회생에너지를 충분히 소비하게 위해서는, 와트수가 큰 저항기와 스위칭소자를 설치할 필요가 있고, 전기자동차의 중량을 증가시키고, 나아가서는 차의 성능과 비용에 악영향을 미치는 요인이 된다.

또한, 회생에너지는 차량의 주행상태에 따라 변하므로, 저항기의 와트수를 적절히 설계하기가 곤란하여, 신뢰성에 문제점을 일으킨다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은, 배터리의 상태 여하에 관계없이 항상 정상 회생제동력을 유지하는 것이 가능한 전기자동차의 회생제동 제어방법 및 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 전기자동차에 특별한 저항기와 스위칭소자를 부가함 없이 여분의 회생에너지를 소비하도록 하는 것이다.

본 발명의 특징은, 구동용 전동기에 배터리의 전력을 변화하여 공급하는 전력 변환기와, 펄스폭 변조방식에 의해 전력변환기를 제어하는 주행제어장치를 구비하고, 전동기로부터의 회생에너지를 배터리에 축적하면서 전동기에 제동력을 가하는 전기자동차의 회생제동 제어방법에 있어서, 상기 제어방법은 제동시에 있어서의 배터리의 에너지회수능력이 소정치보다 작은 경우에는, 전기자동차에 가속도를 가하는 일없이 배터리의 축적에너지를 소비하는 소비모드로 하고, 에너지회수능력이 소정치보다 큰 경우에는, 회생에너지를 배터리에 축적하는 회생모드로 하는 교체제어를 행하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은, 전동기로부터의 회생에너지를 배터리에 축적하면서 전동기에 제동력을 가하는 수단을 구비한 전기자동차의 회생제동 제어장치로서, 상기 장치는 배터리의 에너지 회수능력 상태를 검출하는 회수능력 검출수단과, 회수능력 검출수단으로부터의 에너지 회수능력 정보에 대응하여, 전기자동차에 가속도를 가하는 일없이 배터리의 축적에너지를 소비하는 소비모드와, 회생에너지를 배터리에 축적하는 회생모드를 교체하는 모드교체 제어수단을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 배터리의 충전상태를 검출하고, 상기 배터리의 충전상태에 기초하여, 전동기에 의한 회생에너지를 배터리에 회수시키는 회생모드와, 배터리의 축적에너지를 전기자동차에 가속도를 가함없이 전동기와 인버터에서 소비하는 소비모드로 교체한다. 이에 의해서, 배터리의 상태에 관계없이 항상 소정 회수제동력을 유지하는 것이 가능하다.

구체적으로 설명하면, 제동시에 있어서 배터리전압 또는 배터리충전전류를 검출하고, 배터리가 과충전상태인지 여부를, 즉, 배터리에 에너지 회수능력이 없는 상태인지 여부를 판정한다. 이 경우에, 배터리의 온도가 허용한계를 초과하여 있는 경우는, 배터리의 전압 또는 전류에 기초한 판정에는 에너지회수능력이 있는 경우에도, 배터리에 에너지회수능력이 없는 상태로 판정한다.

회수능력이 없다고 판정한 경우에는, 모드선택기에 의해 소비모드로 교체하여, 배터리의 축적에너지를 소비한다. 바꿔 말하면, 전기자동차에 가속도를 가하지 않는 방법으로, 배터리의 축적에너지를 전동기와 인버터에 전류를 유도하여 소비시킨다. 과충전상태를 방지하기 위해서 충분한 에너지가 소비되면, 과충전상태를 벗어날 수 있기 때문에 배터리의 에너지회수능력은 회복된다. 에너지회수능력이 회복되면 회생모드로 교체되고, 배터리에 회생에너지를 회수한다. 전술한 바와 같이, 회생모드와 소비모드를 교체함으로써, 회생제동력을 유지한다.

소비모드의 일 실시예인 환류모드(free-wheel mode)는, 토오크전류 감소수단을 이용하여 전동기에 구동토오크가 발생하지 않도록, 벡터제어전류의 여자전류(exciting current)성분만을 전동기의 일차권선(primary winding)에 유도함으로써 배터리의 에너지를 소비한다. 즉, 배터리의 에너지를, 전기자동차의 구동토오크를 발생시키는 것에 이용하지 않고, 전동기와 인버터의 저항에 의해서 열손실시키는 것이다.

한편, 소비모드의 다른 실시예인 직류제동모드는, 전동기의 일차권선에 직류 전류를 유도함으로써 배터리의 에너지를 소비한다. 이 일차권선의 직류여자에 의해서 고정시킨 자계를 만들고, 회전자가 이 전계를 가로질러 기전력을 유도하고, 회전전기자형 발전기로 하여 제동력을 얻는 것이다. 이 모드에서는, 배터리의 에너지를 소비하면서, 제동력의 일부가 얻어진다. 그러나, 상기 모드만으로 필요한 제동력은 얻어지지 않고, 상기한 환류모드와 동일하게, 배터리의 여분 에너지를 전적으로 소비하는 것이 이 모드의 주요 역할이다.

이상과 같이, 본 발명은, 제동시에 있어서의 배터리의 상태에 대응하여 배터리의 에너지를 의도적으로 소비하고, 배터리의 에너지 회수능력을 항상 소생시키면서 제동제어를 행함으로써, 효율적으로 회생제동력을 얻는 것이 가능하다. 특히, 배터리가 과충전상태인 경우에 효과적인 방법이다. 또, 여분의 회생에너지를 배터리에 회수하는 것이 가능하기 때문에, 종래와 같은 와트수가 큰 저항기와 인버터소자를 설치할 필요가 없다.

이하, 본 발명에 있어서 도면을 참조하여 설명한다. 제 1도는, 본 발명의 일 실시예인 전기자동차의 회생제동 제어장치의 블록도이다. 이 실시예는, 소비모드로서, 환류모드를 부가하여 회생제동제어를 행하는 것이다.

배터리(10)의 전력은, 평활콘덴서(20)(smoothing capacitor)와 인버터(40)를 거쳐서, 전동기(50)의 U상, V상, W상의 1차권선에 공급된다. 1차권선에는전류센서(31, 32, 33)가 있다. 전동기(50)의 출력토오크는, 엔코더(60)(encoder)와 차동 기어(80)를 경유하여, 전기자동차의 차륜(90 및 91)에 전달된다. 전동기(50)의 속도와 토오크는, 속도 검출기(61) 및 악셀레이터로부터의 가속도지령(τA)과 레이크지령(τB)에 기초하여 제어된다. 배터리전압은, 배터리(10)에 병렬로 접속된 평활콘덴서(20)의 단자전압에서 검출한다. 단자에서 전압을 검출하는 것은 전압변동에 의한 오판정을 방지하기 위한 것이다. 전압레벨판정기(176)는, 배터리전압이 소정치를 초과한 경우에, 배터리가 과충전상태에 있다고 판정하는 것이다. 통상의 전기자동차는 복수의 배터리를 보유하고 있다. 예를 들면, 20~28개수의 12V의 배터리를 직렬로 접속하여, 240V~300V의 배터리전압을 얻고 있다. 따라서, 복수의 배터리에 대하여 개별적으로 배터리상태를 검출하고, 과충전상태가 최저레벨에 있는 배터리를 기준으로 하여 이하에 설명한 바와 같은 제어를 행하는 것이 좋다.

이하에서 제 1도의 실시예의 작동에 관해서 설명한다.

먼저, 악셀레이터가 밟혀지면, 밟혀진 량에 대응한 가속지령(τA)이 필터(110)에 입력되고, 토오크제어계의 토오크지령(τ*)이 얻어진다. 그래서, 토오크지령(τ*)의 시간적 변화가 정(正)인 가속모드의 경우(dτ*/dt ≥ 0의 경우), 가속신호가, 가속/브레이크모드판정기(115)로부터 회생/환류모드선택기(120)에 출력된다. 이 경우, 가속모드이기 때문에, 회생제동은 행해지지 않는다.

배터리(10)의 전력이 인버터(40)를 거쳐서 전동기(50)에 유입되기 때문에, 전압레벨판정기(176)에서 판정되는 배터리전압은, 소정치 이하로 된다. 그 결과, 감소정지지령이, 회생/환류모드선택기(120)로부터 토오크전류감소 신호발생기(136)에 출력되고, 리미터(137)(limiter)의 리미터치(limiter value)는 소정치로 유지된다.

이후에, 토오크지령(τ*)의 시간적 변화가 부(負)의 경우(dτ*/dt ＜ 0의 경우), 브레이크신호가, 가속/브레이크모드판정기(115)로부터 출력된다. 브레이크신호가 출력되고, 동시에, 전압레벨판정기(176)에서 판정되는 평활콘덴서(20)의 단자 전압, 즉 배터리전압이 소정치 이하의 경우는, 배터리(10)의 에너지회수능력이 소정치보다 큰 때라고 판정된다. 이 경우, 회생/환류모드선택기(120)에 의해서 회생 모드가 선택되고, 회생제동이 행해진다.

이 회생모드의 경우는, 감소정지지령이, 회생/환류모드선택기(120)로부터 토오크전류 감소신호발생기(136)에 출력되고, 리미터(137)의 리미트치는, 소정치에 유지된다. 그래서, 전동기(50)에 발생하는 토오크(τM)가, 토오크지령(τ*)에 추종함으로써 제어된다.

여기서, 토오크(τM)는, 전동기(50)의 일차권선(iu, iv, iw)로부터 얻어진 인버터 각주파수(ω1)치 적분∫ω1dt를 적분기(170)에서 실행하고, 순시위상(θ1)을 사용하여, 토오크전류(Iq), 여자분전류(Id)를 얻음으로써, 아래의(1)~(6)식으로부터 계산되는 수치이다.

감산기(111)에서, 토오크연산기(130)에 의해 얻어진 토오크(τM)과 토오크지령(τ*)의 차가 구해지고, 양자가 일치하도록 토오크제어가 행해지며, 토오크제어기(135)에 의해 토오크성분 전류지령(Iq*)이 결정된다. 이 토오크성분 전류지령(Iq*)은 리미터(137)을 거쳐서 교류전류 지령발생기(145)에 입력된다. 상기한 바와 같은 리미터(137)의 리미트치는 토오크전류 감소신호 발생기(136)에 의해 제어되고 있다.

한편, 가속/브레이크판정기(115)로부터 브레이크신호가 출력되어도, 전압레벨판정기(176)에서 판정되는 배터리전압이 소정치를 초과하는 경우는, 배터리(10)의 에너지회수능력이 소정보다 작은 때라고 판정된다. 이 때에, 배터리가 과충전상태에 있기 때문에, 회생제동을 행하는 것은 불가능하다. 따라서, 이 경우에, 환류모드로 교체한다.

즉, 회생/환류모드선택기(120)로부터 감소신호가 출력되고, 이 감소신호에 의해 리미터(137)의 수치는 감소되고, 토오크제어기(135)의 작동은 정지한다. 이 결과, Iq* = 0이 되기 때문에, 교류전류 지령발생기(145)로부터 얻어진 교류전류 지령신호의 진폭치(Il*)는, (7)식에 근거하여 자속제어기(140)로부터 출력된 여자성분 전류지령(Id*)에 의해서만 제어된다.

이 조작에 의해서, 토오크성분전류(Iq)는, 영 또는 실질적으로 영에 상당하는 미소전류치 이하로 된다. 따라서, 배터리(10)로부터, 여자성분전류(Id)만이, 일차 권선에 유도되고, 배터리(10)의 에너지가 열로서 소비된다. 이 때에, 전동기에 발생하는 토오크(τM)은, (8)식에서도 표시되어 있기 때문에, 전동기에 구동토오크는 발생하지 않는다.

결과적으로, 배터리(10)의 에너지가 소비됨으로써, 배터리(10)의 전압은 저하 된다.

이후에, 전압레벨판정기(176)가 배터리의 전압을 소정치 이하로 판정하면, 회생/환류모드선택기(120)는 회생모드를 선택한다. 그래서, 감소정지지령이 출력되고, 토오크전류 감소신호발생기(136)에 의해서 리미터(137)의 리미트감소동작이 정지되고, 토오크제어기(135)에 의해 토오크제어가 행해진다.

이 경우에, 토오크지령(τ*)과 발생토오크(τM)의 편차는 부(負)가 되기 때문에, 슬립주파수연산기(150)로부터 얻어진 슬립각주파수(ωs)도 부가 되고, 회생제동력이 얻어진다.

(9)식에서 표시된 인버터의 1차 각주파수(ω1)의 수치는, (10)식에 나타낸 바와 같은 부의 슬립각주파수(ωs)가 가해지기 때문에 감소하고, 교류전동기(50)의 회전속도가 낮아진다.

이 회생모드에 의해서, 다시 배터리(10)가 회생에너지를 회수하면, 배터리(10)의 전압이 상승하고, 전압레벨판정기(176)에 의해서 과충전상태가 검출된다. 이 결과, 회생/환류모드선택기(120)에 의해서 다시 환류모드가 선택된다. 그래서, 토오크전류 감소신호발생기(136)에 의해서 리미터(137)를 감소하고(Iq* = 0), 여자성분전류만을 유도하여 배터리의 에너지를 소비하고, 과충전상태의 방지를 꾀하는모드교체제어가 실행된다.

결국, 배터리가 과충전상태에 도달하면 환류모드가 선택되고, 이 모드에 의해서 배터리의 에너지가 소비되면, 과충전상태가 방지되기 때문에 회생모드로 되고, 회생제동에 의해서 제동력이 얻어지게 된다. 이와 같이 조작을 반복함으로써, 과충전상태에 근접한 상태에 있는 배터리에 회생제동력능력을 발휘시킬 수 있다.

이후에, 여자성분 전류지령(Id*)에 관해서 설명한다.

2상/3상 전류변환기(125)에 의해서 토오크 성분전류(Iq), 여자성분전류(Id)는, 상기(5)와 (6)식의 연산에 의해서 얻어진다. 이 여자성분전류(Id)를 사용하여, 상기 (2)식에 의해 이차자속(2)을 얻는다.

이차자속지령(2*)은 회전각속도(ωM)에 기초하여 다음과 같이 결정된다.

이차자속편차 △2를 PI(비례+적분)보상함으로써 여자성분 전류지령(Id*)을 얻는다. 즉, 자속제어기(140)에서 이차자속지령(2*)이 이차자속(2)과 일치하도록 여자성분 전류지령(Id*)이 결정된다. 이와 같이 하여 얻어진 여자성분 전류지령(Id*), 토오크성분 전류지령(Iq*)을 기초하여, 일차전류지령(iu*, iv*, iw*)을 얻는다.

각상의 일차권선지령은 전류제어기(155)에 유도되고, 전류센서(31, 32, 33)로부터 검출된 각상의 일차전류와의 편차가 취해진다. 상기 전류제어기(155)에 의해서 상기 편차를 보상하도록 PWM제어하기 위한 변조파가 3상분(도시하지 않음) 발생되고, PWM제어기(160)에 입력된다. 상기 PWM제어기(160)은, 삼각파반송파와 각상의 변조파를 비교하여 3상분 PWM신호를 발생하고, 상기 PWM신호를 PWM인버터(40)의 각상의 아암 게이트(arm gate)에 인가하여, 교류전동기(50)의 일차권선에 유도하는 전류를 제어한다.

이상은 악셀레이터가 밟혀지는 것이 정지되고, dτM*/dt가 부로 되는 브레이크모드라고 가속/브레이크판정기(115)가 판정한 경우의 동작에 대한 설명이지만, 브레이크 페달이 밟혀지고, 브레이크지령(τB)(〈0)가 발생한 경우에도 아주 동일 한 조작이 행해진다.

이후에, 제 2도, 제 3도 및 제 4는, 각 환류모드의 다른 실시예를 나타내는 것이다.

먼저, 제 2도는 회생/환류모드의 교체조건으로서, 배터리의 충전전류의 크기를 판정하는 전류레벨판정기(186)를 설치한 것이다. 제 1도의 전압레벨판정기(176)를 대신하여, 전류레벨판정기(186)를 이용하고 있다. 이것은 배터리가 과충전상태가 되면, 충전전류가 유도되지 않는 현상을 이용하여, 회생모드와 환류모드의 교체를 행하는 것이다. 즉, 가속/브레이크판정기(115)에 의해서 브레이크모드로 판정되고, 전류레벨판정기(186)에 의해서 소정치 이상의 충전전류가 유도되고 있다고 판정한 때는, 배터리(10)의 에너지회수능력이 소정치 보다 큰 때라고 판정한다. 배터리(10)의 에너지회수능력이 소정치 보다 큰 때는, 회생모드가 선택되고, 그렇지 않은 때는, 환류모드가 선택된다. 여기에서의 모드가 선택된 후의 회생제동제어는, 제 1도에서 설명된 경우와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

전기자동차에서는, 배터리(10)의 전압을 높게 하기 위해서, 복수의 배터리로 구성되는 것이 통례이다. 그래서, 회생충전에 의해서 배터리온도가 허용온도 이상으로 상승하는 경우, 이 때에 회생충전을 계속하면 이 배터리군(群)은 급속히 열화 한다. 따라서, 배터리의 전압과 충전전류로부터 아직 과충전상태이지 않다고 판정되는 경우에 있어서도, 이 배터리군의 적어도 한개의 배터리의 온도가 허용온도 이상이면, 배터리에 회생에너지를 회수시키는 것은 위험하다. 이와 같은 경우에도, 배터리의 에너지회수능력은, 소정치보다 작다고 판정한다.

이 배터리군의 온도는, 온도센서(210)에서 검출된다. 그래서, 회생충전을 정지함과 동시에, 회생모드로부터 환류모드로 교체하여 배터리의 에너지를 소비하고, 배터리의 회수능력을 소생시킨다. 이 방법에 의하면, 배터리를 보호함과 동시에, 소정의 회생제동력을 얻는 것도 가능하다.

상기 실시예에서는, 배터리의 전압과 충전전류와 온도의 정보를 개별적으로파악하여, 배터리의 상태를 판정하지만, 여기서의 정보조합으로부터 판정하는 것도 가능하다. 예를 들면, 배터리온도를 파라미터로서, 판정의 소정치를 변화시키는 것이다. 배터리전압을 판정치로 사용하는 경우에, 배터리온도가 높게 되면, 전압레벨판정기(176)의 배터리전압의 판정소정치를 낮은 측으로 이행시키는 것이다.

또, 전압레벨판정기(176)와 전류레벨판정기(186)등의 판정방법에 있어서, 회생모드로부터 소비모드로 교체하는 경우의 판정소정치와 소비모드로부터 회생모드로 교체하는 경우의 판정소정치는, 반드시 동일한 필요는 없다. 소비모드로부터 회생모드로 교체하는 경우의 판정소정치와 역의 경우의 판정소정치 사이에, 어느 정도의 폭을 가진 것이 고려된다. 이것은, 과충전상태가 제거된 후 곧바로 회생모드로 교체하지 않고, 배터리의 에너지를 충분히 소비한 시점, 즉 배터리의 에너지 회수능력이 충분히 소생했다고 판정되는 시점까지 연장시켜, 교체하는 것이다. 이것은 「폭을 가진 소정치」를 경계로 하여 교체하는 제어에 상응하는 것이다.

제 3도는, 회생제동시, 전동기에 가속도를 발생시키지 않고, 배터리의 에너지를 소비하는 다른 실시예를 나타내는 블록도이다. 제 1도에 있어서의 토오크전류감소신호발생기(136) 및 리미터(137)를, 동상(same phase) PWM지령발생기(161) 및 리미터(156)로 대신하는 것이다. 전류제어기(155)의 출력측에 리미터(156)를 설치하고, 동상PWM지령발생기(161)에 의해서 PWM제어기(160)에 출력되는 리미트치를 제어하는 것이다.

회생/환류모드선택기(120)에 의해서 회생모드가 선택된 경우는, 동상PWM지령발생기(161)로부터, 동상PWM지령은 출력되지 않는다. 이 경우는, 전류제어기(155)로부터 출력된 변조파가, 직접 PWM제어기(160)에 입력된다. 그래서, 회생에너지를 배터리(10)에 회수시키는 토오크제어기(135)에 기초한 회생제동제어가 행해진다.

환류모드로 교체된 경우는, 동상PWM지령발생기(161)로부터 리미터(156)로, 동상PWM지령이 출력된다. 그래서, 변조파의 진폭치가 영까지 감소하고, 각상의 PWM신호는, 삼각파반송과 동일한 주기로 각상 동일위상에서 인버터의 게이트를 온·오프하는 반복신호로 된다. 이와 같이 각상의 인버터의 게이트에 동일위상의 PWM신호를 가하면, PWM인버터(40)의 선간전압(출력전압)은, 영 또는 실질적으로 영에 상응하는 미소전압이하로 된다. 그래서, 전동기의 일차권선을 여자하는 에너지부분만이 공급되어, 전동기(50)에 구동토오크는 발생하지 않는다. 그래서, 상기 온·오프작동에 의해서 배터리의 에너지가 소비된다.

여기서, 전동기(50)에 발생하는 토오크(τM)는, (14)식에 표시된다.

V : 선간전압, f : 일차주파수

따라서, 선간전압이 영이 되면, 전동기(50)에 구동토오크는 발생하지 않는 것으로 판단한다. 이 조작에 의해서, 배터리(10)의 과충전상태가 방지되면, 다시 회생모드로 교체하여 회생제동력이 얻어진다.

제 4도는, 제 3도의 실시예의 전압레벨판정기(176)를 대신하여, 전류레벨판정기(186)를 이용하여, 배터리(10)에 유도하는 충전전류로부터 과충전상태를 판정하는 것이다. 회생/환류모드의 판정후의 처리는 제 3도와 동일하기 때문에 상세한설명은 생략한다.

제 5도는, 본 발명에 따른 다른 실시예의 회생제동제어이고, 직류제어모드를 이용한 회생제동 제어장치의 블록도를 나타내는 것이다. 제 1도 내지 제 4도에서 설명한 실시예와, 배터리의 에너지 소비와 회수의 교체제어를 행하는 점은 동일하지만, 부가적으로 에너지를 소비한 후에 제동력이 얻어지는 점에서 다르다.

회생/직류제동모드의 교체는, 가속/브레이크모드판정기(115)로부터의 출력신호와 PI보상기(175)로부터의 출력인 과충전상태 판정신호로부터, 회생/직류제동모드선택기(121)에 의해서 행해진다. 소정의 기준전압(Eb*)(배터리의 과충전상태를 판정하는 전압)과 검출된 평활콘덴서(20)의 단자전압과의 전압차가 증폭기(175)에서 증폭되고, 리미터(180)를 거쳐서 충전전류지령(Ib*)이 얻어진다. 여기서, 통상, 리미터(180)의 수치는 충전전류의 최대치(Ibmax)에 설정되어 있다. 이 충전전류지령(Ib*)과 배터리전류(Ib)의 편차가 취해지고, 증폭기(185)에서 증폭되며, 상기 증폭편차는 불감대를 가지고 있는 리미터(195)를 거쳐서, 일차 각주파수(ω1)의 최대치를 결정하는 리미터(165)에 작용한다.

한편, PWM제어기(160)로부터의 출력은 싸이클릭 PWM모드발생기(200)에 입력되고, 이 PWM 모드발생기(200)로부터 싸이클릭적으로(cyclically) 출력되는 PWM신호에 기초하여 PWM인버터(40)가 제어된다.

이후에, 이 실시예의 특징있는 동작에 대해서 설명한다. 가속/브레이크판정기(115)로부터 브레이크신호가 출력되고, 회생/직류제동모드선택기(121)에 입력되는 경우는, 증폭기(175)로부터 얻어진 과충전상태 판정신호에 기초하여, 회생모드또는 직류제동모드중 한쪽이 선택된다.

상기한 바와 같은 과충전상태는, 기준전압(Eb*)과 평활콘덴서의 전압의 편차로부터 판정된다. 상기 편차가 큰 때는, 증폭기(175) 출력치는 포화하여 리미터(180)의 리미트치인(Ibmax)의 값으로 되어 있다. 이와 같은 상태의 때는, 배터리(10)는 과충전상태이지 않고 에너지를 회수할 수 있는 상태이라고 판정하여, 회생모드가 선택된다.

그래서, 회생제동이 행해지면서, 평활콘덴서의 전압이 기준전압(Eb*)의 근처까지 상승하게 되면, 상기한 포화가 해제되고, 증폭기(115)에서 정하는 충전전류지령(Ib*)이 얻어진다. 상기 Ib*와 배터리전류의 편차를 증폭기(185)에서 증폭한 수치는, 당초, 소정치 이하로 되지 않기 때문에, 리미터(195)는 일차각주파수(ω1)의 리미터치와 동일한 수치를 출력한다. 이 때문에, 리미터(165)의 범위내에서 일차 각주파수(ω1)는 감소방향으로 변화한다.

그래서, 충전전류지령(Ib*)이 감소하고, 증폭기(185)에서 증폭한 수치가 소정치 이하로 되면, 과충전상태이라고 판정하고, 직류제동모드로 교체된다. 이 결과, 회생/직류제동모드선택기(121)는, 직류제동모드에 대응한 지령을 싸이클릭 PWM모드발생기(200)에 출력한다.

이 상태가 되면, 증폭기(185)의 출력치도 감소하고, 리미터(195)로부터의 출력치는 영으로 유지된다. 이 때문에 리미터(165)는 영으로 감소하고, 일차각주파수(ω1)도 영이 된다. 그래서, 교류전류지령발생기(145)로부터 발생하는 교류전류지령의 위상(θ1)은, 일차각주파수(ω1)가 영이 된 시점의 위상(θ1n)에고정되고, 이 위상(θ1n)에 대응한 수치를 가지는 직류전류지령이, 상기 교류전류지령발생기(145)로부터 발생한다. 그래서, 상기 직류전류지령에 기초한 직류전류가 유도됨으로써, 전류제어기(155)에서 변조레벨이 결정된다.

이 변조레벨과 삼각파반송파가 비교되고, 변조레벨에 대응한 PWM신호가 출력된다. 이 때에, 출력된 PWM신호의 모드가, 예를 들어, (1, 0, 0)이면, U상의 정측 아암(positive side arm)과 V 및 W상의 부측아암(negative side arm)이 온 ·오프작동하고, 제 6(a)에 표시된 바와 같은 방식으로 각상의 일차권선에 직류전류가 유도된다. 이 직류전류에 의해서 일차권선에 직류여자된 자계가 발생한다. 그래서, 전동기의 회전자가 이 자계를 가로질러 기전력을 유도하고, 회전전기자형 발전기로서 반동에 의한 제동력을 받는다.

이 경우에, U상의 일차권선에 배터리전류(Ib)가 유도되고, 그리고 V 및 W상의 일차권선에 전류(Ib/2)가 분류되어 흐른다. 이 때문에, 이와 같은 상태에서 전류를 연속해서 흐르게 하면, U상의 일차권선의 온도가 다른 분지(分地)상의 권선에 비교하여 초과전류량만큼 높게된다. 즉, 일차권선의 국부적인 과열에 의해서 절연열화가 생긴다. 그래서, 일차권선의 온도가 절연열화의 한계인 기준온도(Tb*)를 초과하지 않도록 이후의 방법을 채용한다.

먼저, 전동기의 권선온도를 온도센서(70)에 의해 검출한다. 검출된 권선온도를 피드백하여 기준온도(Tb*)와 비교하고, 편차를 증폭기(205)에서 증폭한다. 증폭편차가 소정치 이하가 되지 않도록, 싸이클릭 PWM모드발생기(200)는 PWM모드를 발생시킨다. 예를 들어, PWM모드는 제 6도에 나타낸 바와 같이, (a)로부터 (b)로,(b)로부터 (c)로, (c)로부터 (a)로 싸이클릭적으로 변화된다. 이와 같이 하여, 일차권선의 국부적인 파열을 방지한다. 또한, PWM모드를 싸이클릭적으로 변화시키는 것은, 전동기의 내부온도가 균일하게 되기 때문에, 전동기의 수명의 점에서도 유효하다.

이 직류제동모드에서, 배터리의 에너지를 소비시키면서 제동력이 얻어지는 것이 가능하다. 그러나, 전동기내부의 온도는 상승하기 때문에, 이 모드에 의해 얻어지는 제동력이 그다지 많기를 기대하기는 힘들다. 따라서, 이 직류전동모드에 의해서, 배터리(10)의 에너지를 소비하여 과충전상태가 방지되고, 다시 회생모드로 교체하여 제동제어를 행한 것이 본 모드의 본래의 제어이다.

이제까지 설명한 소비모드 모두는 전동기내부, 인버터 또는 권선등의 열손실에 의해 배터리의 에너지를 소비하는 것이다. 이밖의 방법으로서, 이후의 소비모드가 고려된다.

차량에 가속이 가해지지 않는 정도의 미소 토오크를 전동기에 발생시키는 토오크지령(△τ*)을 생성한다. 이 토오크지령에 기초하여, 배터리의 에너지를 사용하여, 전동기(50)에 미소 토오크(△τ)를 발생시키고, (15)식으로 표시되는 미소 파워(P)(출력에너지)를 얻는다.

이 경우의 파워(△P)의 크기는, 차량의 토오크전달기구에 의해 소비되는 기계 손실에너지 정도이다. 즉, 전기자동차의 가속에 기여하지 않는 정도의 미소한 것이다. 여기서 의존하여, 전기자동차의 운전특성을 손상시키지 않고, 이 출력에너지만큼씩 나누어, 배터리의 에너지를 소비하는 것이 가능하다.

본 실시예는, 유도전동기의 경우로 설명하였지만, 영구자석으로 된 회전자를 가지는 부러쉬리스(brushless) 동기전동기등의 교류전동기에도 적용될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은, 제동에 있어서의 배터리(10)의 상태에 대응하여, 회생모드와 소비모드를 교체하여 제어함으로써, 전기자동차로서 필요한 제동력을 항상 확보할 수 있다.

본 발명에 따르면, 배터리가 과충전상태라면 전동기내부와 인버터의 열손실로 배터리의 에너지를 소비하고, 이 소비에 의해서 배터리가 에너지를 회수할 수 있는 상태로 되면, 회생제동의 에너지를 배터리에 회수하므로, 이 에너지소비와 에너지 회수를 교체제어함으로써, 배터리의 상태와 관계없이 항상 소정의 회생제동력을 얻는 것이 가능하다. 그래서, 전기자동차의 안전운전에 결부될 수 있다.

또, 여분의 회생에너지를 배터리에 회수할 수 있기 때문에, 상기 에너지를 소비하기 위해서, 평활콘덴서와 병렬로 와트수가 큰 저항기와 스위칭소자를 종래와 같이 설치할 필요가 없고, 장치의 소형화와 가격의 저감을 이룰 수 있다.

제 1도는 본 발명의 일 실시예로서, 환류모드를 이용한 전기자동차 회생제동 제어장치의 블록도,

제 2도는 본 발명에 따른 환류모드를 이용한 전기자동차 회생제동 제어장치의 다른 실시예를 나타내는 블록도,

제 3도는 본 발명에 따른 환류모드를 이용한 전기자동차 회생제동 제어장치의 다른 실시예를 나타내는 블록도,

제 4도는 본 발명에 따른 환류모드를 이용한 전기자동차 회생제동 제어장치의 다른 실시예를 나타내는 블록도,

제 5도는 본 발명의 따른 직류제동모드를 이용한 전기자동차 회생제동 제어장치의 실시예를 나타내는 블록도,

제 6도는 PWM모드의 싸이클변화의 설명도.

Claims

배터리와, 주행구동용 전동기와, 상기 전동기에 상기 배터리의 전력을 변환하여 공급하는 전력변환기와, 펄스폭변조방식을 사용하여 상기 전력변환기를 제어하는 주행제어장치와, 상기 주행제어장치의 작동모드를 소비모드 또는 회생모드로 교체하는 모드교체 제어수단을 구비하며, 상기 전동기로부터의 회생에너지를 상기 배터리에 회수하면서 상기 전동기에 제동력을 가하는 전기자동차의 회생제동 제어방법에 있어서,

상기 제어방법은 :

회수능력 검출수단을 사용하여 상기 배터리의 에너지회수능력을 검출하는 단계와;

전기자동차의 제동시에 있어서의 상기 배터리의 에너지회수능력을 에너지회수능력 소정치와 비교하는 단계와;

상기 에너지회수능력이 상기 에너지회수능력의 소정치보다 작은 경우에는 소비모드로 교체하고, 상기 에너지회수능력이 상기 에너지회수능력의 소정치보다 큰 경우에는 회생모드로 상기 주행제어장치를 교체하는 단계로 이루어지며,

상기 소비모드 동작동안에, 상기 주행제어장치는 상기 자동차에 가속도를 가하지 않고 상기 전동기내에 무효전력을 일으킴으로써 상기 전동기내에서 상기 배터리의 축적에너지를 소비하도록 상기 전기자동차를 제어하고,

상기 회생모드 동작동안에, 상기 주행제어장치는 회생에너지가 상기 배터리에 공급되어 축적되어지도록 상기 전기자동차를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서, 상기 전기자동차는 상기 전동기내에서 토오크성분전류를 최대치로 하는 토오크전류 리미터을 더욱 포함하며,

상기 제어방법은 상기 소비모드동안에 상기 토오크성분전류의 최대치를 줄임으로써 상기 전력변환기를 펄스폭변조제어하여 직류전류를 상기 전동기의 일차 권선에 유도시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 전기자동차는 상기 전동기내에서 토오크성분전류를 최대치로 하는 토오크전류 리미터을 더욱 포함하며,

상기 제어방법은 상기 소비모드동안에 동상 PWM지령발생기를 사용하여 상기 전력변환기를 펄스폭변조제어하여, 전류벡터 제어방식으로 상기 전동기내의 토오크성분전류가 영 또는 토오크성분전류의 소정치보다 작도록 상기 전동기내의 토오크성분전류를 제어하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생 제동 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 전기자동차는 상기 전동기내에서 토오크성분전류를 최대치로 하는 토오크전류 리미터을 더욱 포함하며,

상기 제어방법은 상기 소비모드동안에 상기 전력변환기를 펄스폭변조제어하여 상기 전력변환기의 선간 전압을 영 또는 토오크성분전류의 소정치보다 작도록 하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 전기자동차는 상기 전동기내에서 토오크성분전류를 최대치로 하는 토오크전류 리미터을 더욱 포함하며,

상기 제어방법은 상기 소비모드동안에 상기 토오크성분전류의 최대치를 줄임으로써 상기 전력변환기를 펄스폭변조제어하여, 상기 전동기의 출력에너지가 상기 전기자동차의 토오크전달기구등의 기계손실에너지와 동질로 되도록 하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서, 상기 교체단계는 상기 배터리에 병렬로 접속시킨 평활콘덴서의 단자전압을 상기 소정치와 비교하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 제어방법은 상기 회생모드동안에 상기 배터리에 유입된 축적전류를 상기 소정치와 비교하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 교체단계는 상기 배터리의 온도를 소정온도치와 비교하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서, 상기 전기자동차는 상기 배터리에 병렬접속시킨 평활콘덴서의 단자전압, 상기 회생모드시에 상기 배터리에 유입된 축적전류, 및 상기 배터리의 온도를 검출하는 검출수단을 더욱 포함하며,

상기 교체단계는:

상기 단자전압, 상기 축적전류, 및 상기 배터리의 온도를 소정 전압치, 소정 전류치, 및 소정 온도치와 각각 비교하는 것과;

비교된 값들중 적어도 하나가 소정 전압치, 소정 전류치, 또는 소정 온도치에 도달하면 상기 주행제어장치의 모드를 교체하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 2항에 있어서,

상기 제어방법은:

상기 전동기의 상기 일차권선에 직류전류를 인가하여 상기 전동기내에 제동력을 발생시키는 단계와;

상기 일차권선에 유입되는 상기 직류전류와 상기 일차권선의 온도를 검출하는 단계와;

상기 일차권선의 온도가 소정 온도치를 초과할 때, 상기 직류전류가 감소하도록 제어하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서,

상기 소정치는 일정 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
제 1항에 있어서, 상기 배터리가 상기 자동차를 구동하는 유일한 전력원인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어방법.
상기 자동차를 구동하는 유일한 전력원인 배터리와, 상기 자동차를 구동하는 전동기와, 상기 배터리의 전력을 변환하여 상기 전동기에 공급하는 전력변환기와, 상기 전동기로부터의 회생에너지를 상기 배터리에 축적하면서 상기 전동기에 제동력을 가하는 수단을 포함하여 이루어지는 전기자동차의 회생제동 제어장치에 있어서,

상기 장치는:

상기 배터리의 에너지 회수능력을 검출하는 회수능력 검출수단과;

상기 회수능력 검출수단으로부터 얻어지는 상기 배터리의 에너지 회수능력에 관한 정보에 따라, 상기 배터리의 축적에너지를 전기자동차에 가속도를 가함없이 상기 전동기내에 무효전력을 일으킴으로써 상기 전동기내에서 소비하는 소비모드로, 또는 상기 회생에너지를 상기 배터리에 축적하는 회생모드로 교체하는 모드교체 제어수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어장치.
제 13항에 있어서, 상기 제어장치는 상기 배터리에 병렬로 접속시킨 평활콘덴서의 단자전압, 상기 회생모드동안에 상기 배터리에 유입된 축적전류, 및 상기 배터리의 온도를 검출하는 검출수단을 더욱 구비하며,

상기 모드교체 제어수단은 상기 단자전압, 상기 축적전류, 및 상기 배터리의 온도를 소정 전압치, 소정 전류치, 및 소정 온도치와 각각 비교하는 비교수단과;

비교된 값들중 적어도 하나가 상기 소정치에 도달하면 상기 회생모드와 상기 소비모드사이에서 교체를 행하는 교체수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 회생제동 제어장치.
제 13항에 있어서,

상기 제어장치는:

복수의 PWM 모드로부터 싸이클릭적으로 선택된 다른 형태의 PWM 모드를 발생하는 싸이클 PWM 모드발생기와;

상기 전동기의 일차권선의 온도가 소정 온도치를 초과할 때 싸이클 PWM 모드를 사용하여 직류전류를 감소시키도록 상기 전동기의 일차권선에 흐르는 상기 직류 전류를 제어하는 전류제어수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생제동 제어장치.