KR100349413B1 - 차량 파워 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 시스템은 배터리 상태와 엔진상태를 감시하고 특정 배터리와 엔진상태에 의존하는 배터리를 선택적으로 충전시키도록 교류기를 제어하여 배터리와 엔진의 동작특성 및 수명을 최적화시키고, 이에따라 연료소비를 줄일 수 있는 것이다.

Description

차량 파워 관리 시스템{VEHICULAR POWER MANAGEMENT SYSTEM}
자동차와 같은 전동 차량의 종래 전기 파워 관리 시스템은 레귤레이터(regulator)에 의한 조절중에 배터리를 충전하는 교류기 또는 발전기(이하, 교류기라 함)를 사용하여 전기적인 필요를 제공하기 위해서 배터리를 사용한다. 상기 배터리에서 소모되는 파워는 차량엔진에서 엔진을 교대로 구동시키는 교류기에 의한 충전으로 보충된다. 상기 레귤레이터는 배터리 전압을 감시하여 상기 교류기에서 제공되는 전하를 통과시키거나 제한시킴으로써 배터리의 전압을 조절한다. 통상적으로, 엔진이 동작중일 때에는, 상기 교류기는, 배터리의 상태와는 관계없이, 차량에 전기 에너지를 제공하고 배터리를 충전하도록 동작된다. 상기 교류기가 턴오프되면 상기 배터리는 차량에서 필요로 하는 모든 전기 에너지를 제공한다.Robert Bosch GmbH와 Society of Automotive Engineers, Inc.에 의해 발행된 핸드북인, 1988, "Automotive Electric/Electronic Systems"의 18 내지 69쪽에는 교류기와 레귤레이터의 작동원리가 기술되어 있다.
많은 인자(factor)들이 배터리의 성능과 수명에 기여한다. 종래 대부분의 자동차 배터리 충전 시스템에서와 같이, 단지 배터리의 전압을 감시함에 의해서는, 배터리의 실제 상태와 수명을 결정할 수 없으며 배터리의 수명과 성능을 최적화시킬 수도 없다. 배터리의 성능에 영향을 미치는 인자는 배터리의 충전, 용량상태, 배터리 단자의 상태, 전해액의 집중 및 레벨, 부하상태, 플레이트(plate) 면적, 온도, 및 내부 저항을 포함한다. 이들 대부분의 파라메터들은 동작상태에 의존하여 변한다. 상기 배터리가 교류기/발전기에 의해 충전되면, 상기 배터리 양단에서 측정되는 전압은 대개 두 개의 인자: (1) 역기전력(CEMF)과 (2)내전압 강하에 의해 형성된다. 상기 역기전력(CEMF)은 배터리 충전전압이 배터리를 충전하기 위해 극복해야하는 전위차이다. 상기 역기전력(CEMF)에 영향을 미치는 인자들은 배터리 충전비율, 온도, 전해액의 집중, 전극과 접속된 플레이트 면적 및 충전상태를 포함한다. 상기 배터리의 내전압의 강하(drop)는 배터리의 내부저항을 통해 흐르는 전류에 의해 초래된다. 배터리의 옴저항 및 분극효과(polarization effects)를 포함하는 내부저항은 접속기, 접속기 스트랩(connector straps), 용접 접속, 전극과 접속된 플레이트 면적, 배터리 온도, 전극의 전기저항률, 그리고 황산염으로 처리되거나 방전된 플레이트와 배터리 단자의 상태내의 고유 전류흐름에 대한 정상저항에의해서 대개 형성된다. 상기 배터리 내부 전압강하는 암페아(amperes)단위의 충전비율에 옴(ohms)단위의 배터리 저항을 곱함에 의해 계산된다.
상기 기술한 배터리 성능에 영향을 미치는 인자들중에, 충전상태(SOC)는 가장 중요한 인자들중 하나이다. 충전상태(SOC)는 상기 역기전력에 비례적으로 영향을 미치는데, 예를들어, 충전상태가 높으면, 역기전력은 더 높으며 충전상태를 올리기 위해 더 큰 충전전압이 요구된다.
Palanisamy의 미국 특허 제5,281,919호('919특허)에서는 배터리 동작에 영향을 미치는 인지들에 대해 상세히 설명하고 있으며 배터리의 동작 파라메터들을 감시하고 결정하기 위한 효과적인 시스템을 개시하고 있다. 상기 '919 특허는 배터리 성능의 최적화를 위한 소프트웨어와 오류판정을 위한 진단루틴들을 개시하고 있다. 또한 Palanisamy의 미국 특허 제4,978,942호('942 특허)는 배터리의 내부저항을 다이내믹하게 결정하기 위한 효과적인 기술을 개시하고 있다. 상기 '919특허와 '942특허 모두에 개시된 기술은 인용문헌으로 조합된다.
마이크로프로세서의 기술 진보로, 마이크로 프로세서를 이용하는 차량제어는 중요하고도 인기있는 잇점을 가지고 있으며 배터리의 동작 파라메터가 주로 다이내믹하기 때문에, 프로세서는 종래 레귤레이터를 대신하여 각종 배터리 상태를 감시하기에 매우 적당하다. 예를들어, Matsuda등의 미국 특허 제5,404,106호는 전압,전류 및 온도측정에 기초해서 배터리 용량을 감시하고 배터리 내부 저항을 계산하는 시스템을 개시하고 있다. Kohl의 미국 특허 제5,280,232호는 각각의 시간증가를 측정함으로써 충전상태를 측정하여 결정하는 프로세서 기반의 장치를 제안하고 있다. Sato의 미국 특허 제5,193,067호는 배터리의 전해액 비중과 온도에 대해 프로세서에 의해 제어되는 측정을 이용함으로써 유사한 접근방법을 제안하고 있다. 종래 또는 '인텔리전트(intelligent)' 레귤레이터/교류기가 사용되든지 간에, 종래 기술의 목적은 100% 충전상태로 배터리를 충전하는 것이다.
주지된 바와같이, 상기 교류기에 의해 생산되는 전기 에너지는 엔진에서 소모되는 파워 또는 에너지로부터 얻어지고, 보통 벨트에 의해 그리고 상기 엔진에 의해 교류기를 회전시키도록 힘껏 구동된다. 시스템은 엔진의 교류기에 대한 부하효과를 감시하고 제어하기 위해 제안되어 왔다. 예를들어, Nagano의 미국 특허 제5,256,959호는 교류기의 필드전류를 제어함으로써 엔진부하의 제어방법을 제안하고 있다. Asakura의 미국 특허 제4,789,817호는 부하무리로 인해 엔진속도의 손실을 초래시킬 때 엔진상의 교류기 부하를 최소화시키는 방법을 제안하고 있으며, 그리고 Kissel의 미국 특허 제4,659,977호는 배터리의 충전을 제어하기 위한 마이크로 프로세서 기반의 레귤레이터를 제안하고 있다. 상기 키셀의 특허에 개시된 레귤레이터는 국부적인 분위기 또는 배터리 온도 및 배터리 전압레벨을 감시한다. 또한 차량속도가 측정되고 이 데이터와 배터리 데이터는 상기 교류기의 필드 와인딩(field windings)을 제어하기 위해 엔진 회전수(RPM)에 따라 사전에 설정된값과 비교된다.
또한, 차량이 엔진에 의해 구동되는 동안에, 운전자가 차량을 서행시키거나 정지시킬 때, 엔진에 의해 생산되는 많은 량의 에너지가 소비되고 낭비된다는 것은 주지된 사실이다. 게다가 차량의 타성주행(coasting) 또는 일정속도로의 크루징(cruising) 또는 언덕 하강주행을 하는 경우에, 차량 운동량이 차량을 정상속도로 유지시키는데 요구되는 많은 에너지로 되기 때문에 엔진에서 소모되는 파워는 감소된다. 본 발명의 목적을 위해, 이들 엔진과 차량 동작상태는 "과잉 에너지(surplus energy)"모드라고 한다. 차량 그리고/또는 엔진이 과잉 에너지모드에서 동작하는 경우에, 만일 교류기가 배터리를 충전하기 위해 턴온되도록 배터리-교류기-엔진 시스템이 운영된다면, 그렇지 않을 경우에 낭비되는 과잉 운동 또는 위치 에너지는 저장된 전기 에너지 형태로 회복되는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 보다 효과적인 시스템 사용 및 엔진의 연료소비의 감소를 초래시킨다.
상기 제안된 시스템을 이용하면, 배터리, 엔진, 그리고 엔진에서 소모되는 유효한 파워를 최소화시키도록 교류기를 제어하고 배터리 동작을 최적화시키는 차량 동작상태를 감시하고 결정할 수 있는 교류기/배터리 파워 관리 시스템에 대한 요구가 존재하게 된다.
본 발명은 전동 차량의 전기 파워를 관리하는 시스템 및 장치에 관한 것으로, 특히 배터리와 엔진 상태를 감시 및 결정하고, 배터리를 선택적으로 충전시켜 배터리의 수명(health)과 성능을 최적화 시키도록 교류기를 제어하는 한편, 엔진 파워를 효율적으로 이용하여 연비를 개선하는 시스템에 관한 것이다.
다음의 첨부도면과 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명에 의해서 본 발명은 더욱 잘 이해될 수 있고 그 잇점이 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 교류기를 제어하기 위한 시스템을 보이는 블록도이다.
도2는 도1의 시스템의 동작처리의 흐름도이다.
도3은 도2에 도시된 시스템을 사용하여 배터리의 충전값 상태 그래프도이다.
도4는 연료 주입기에 공급된 에너지를 감시하기 위한 회로도이다.
도5는 도1에 따른 시스템을 이용한 시험결과 그래프도이다.
부록A는 본 발명에 따른 실시예와 관련하여 사용될 수 있는 소프트웨어 프로그램의 대표적인 부분의 리스트이다.
본 발명은 엔진에 의해 구동되는 차량내의 배터리를 선택적으로 충전시키기 위해 교류기를 제어하는 시스템을 제공하며, 충전상태(SOC) 또는 내부 저항과 같은 배터리 상태를 감시하기 위한 프로세서 및 이와 관련된 프로그램을 가지는 컨트롤러; 과잉 에너지 모드를 포함하는 엔진 동작 상태를 결정하기 위한 수단; 그리고 상기 과잉 에너지 모드동안에 배터리를 충전시키기 위한 교류기 제어수단을 구비한다. 상기 과잉 에너지 모드는, 차량의 블레이킹동작, 타성주행, 일정속도로의 크루징, 감속동작, 언덕 하강주행, 또는 엔진 파워 곡선의 하단부에서의 동작일 때와 같이, 차량과 엔진의 동작에 의해 과잉 에너지가 존재할 때 발생한다. 또한 상기 컨트롤러는 감쇠(declining) 또는 감소(diminished) 엔진부하상태를 감시하기 위한 수단을 포함하며, 이로인해, 엔진에 의한 연료요구가 각각 감쇠되거나 거의 영(ZERO)으로 된다. 또한 상기 컨트롤러는 엔진특성을 결정하기 위한 엔진속도를 감시할 수도 있다. 선택적으로, 상기 컨트롤러는 상기 교류기 제어수단이 엔진 시작상태이후 주어진 시간주기동안에 배터리를 충전하지 못하도록 하는 수단을 포함한다.
바람직하게, 엔진동작상태를 결정하기 위한 수단은 연소 엔진에 공급되는 연료량을 지시하기 위한 수단을 포함한다. 민일 엔진에 연료를 주입하면, 이 엔진에 주입된 연료는 연료 주입기에 공급된 전기 에너지를 감지함에 의해 결정된다. 연료주입기에 공급된 전기 에너지가 실질적으로 영(ZERO)의 펄스폭을 가질 때 감소된 엔진 부하상태는 엔진동작상태를 결정하는 수단에 의해 결정된다. 상기 연료주입기에 공급된 전기 에너지가 주어진 지속기간 이상이고 2개의 연속 연료주입사이클 사이에서 펄스폭의 지속기간이 감쇠될 때 감쇠 엔진 부하상태가 결정된다. 또한 상기 연료주입기 전류특성을 갖는 엔진에 공급되는 연료는 알려진 로직 신호처리 기술에 의해서 차량 부하 전류파형을 그 구성성분으로 분석(deconvolving)함에 의해 결정된다. 상기 교류기 제어수단은 상기 교류기에 공급되는 필드 여자전류를 제어함으로써 배터리를 선택적으로 충전시킨다. 교류기에 필드 여자전류가 없는 경우, 상기 배터리는 차량에 의해 요구되는 모든 전기 에너지를 공급한다. 바람직하게, (예,상기 교류기에 필드 여자전류를 공급함에 의해) 배터리의 충전상태(SOC)를 높이도록 과잉 에너지 모드가 감지될 때 마다, 상기 배터리는 충전되고, 그렇지 않으면 배터리가 벌써 완전히 충전되었는지를 상기 컨트롤러가 결정한다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 상기 교류기는 (a)엔진/차량이 감속될때마다 배터리를 충전하고; (b)가속중에 충전상태(SOC)가 최소 안전값 아래로 되지 않으면 배터리를 충전하지 않고; 그리고 (c) 알고 있는 충전상태(SOC) 퍼센트 범위 이내로 배터리를 유지하여 최적 충전 효율을 갖게 특정상태의 배터리를 충전시키도록; 선택적으로 제어된다.
또한, 상기 컨트롤러는 크기와 방향에 있어 배터리 내부저항, 온도, 그리고 배터리 전류를 포함하는 배터리 상태를 감시하기 위한 수단을 포함한다. 상기 배터리가, 주어진 최소 안전값 이하와 같이, 낮은 충전상태로 결정되면, 선택적인 충전은 무시되며 그리고 엔진이 동작될때 마다 상기 교류기는 배터리를 충전시키기 위해 턴온된다.
본 발명에 따른 시스템의 구현은 상기 엔진/교류기에 근접하게 설치할 수 있는 '애드-온(add-on)' 애프터마켓(aftermarket) 장치에 의해 이루어진다. 택일적으로, 엔진과 차량상태를 감시하고 결정하기 위한 엔진제어유니트(ECU)를 갖는 차량에서, 이 제어로직은 차량의 엔진제어유니트내에 상주된다. 상기 엔진제어유니트는 엔진동작을 감시하고 제어하기 위한 가장 최근 모델 자동차에 기본적인 장비로서 설치되며 그리고 본 발명의 실시예에 따른 소프트웨어 제어장치는 배터리와 엔진상태를 감시하고 교류기를 제어하기 위해서 공장에서 엔진제어유니트내에 통합된다. 이와같은 실시예에 있어서, 상기 엔진제어유니트는 또한 상기 기술한 과잉 에너지 모드를 감시하고 결정한다.
일반적으로, 본 발명에 따른 차량 파워 관리 시스템은 배터리와 엔진상태를 감시하고 교류기를 제어하여 상기 배터리-교류기-엔진 출력/충전 효율을 최대화하기 위해서 배터리를 선택적으로 충전하여, 결과적으로 연비(갤론당 마일:mpg)을 개선시킨다. 배터리 성능을 최적화하기 위해, 배터리 충전과 엔진 부하효율에 영향을 미치는 파라메터와 상태를 감시한다. 배터리 온도, 내부저항, 그리고 충전상태를 포함하는 상기 파라메터는 프로세서/컨트롤러에 의해 연속적으로 감시되고, 계산되며 그리고 갱신된다. 차량/엔진이 과잉 에너지모드에서 동작하는 경우와 같이, 상기 교류기는 선택적으로 턴온되어 미리 선택된 배터리 또는 엔진상태에 의존하여 배터리를 충전시킨다. 상기 배터리의 충전상태(SOC)는 주어진 최소 안전값 이상으로 그리고 최적 충전상태의 범위 이내로 유지되는 것이 바람직하다.
상기 기술한 바와같이, 상기 차량 배터리 충전상태를 결정하고 유지하는 효율적인 접근은 T.Palanisamy의 미국 특허 제5,281,919호에 상세하게 설명되어 있으며, 이 특허의 개시내용은 인용참증으로 조합된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 교류기 동작은 연료소비를 최소화시켜 차량의 연비 성능을 개선하도록 선택적으로 턴온 및 턴오프로 제어된다. 예를들어, 엔진의 시동 주기 및 차량 가속동안과 같이, 엔진에서 요구되는 파워가 증가하는 상태동안에, 그리고 상기 배터리가 최소값 충전상태 이상으로 결정될 때, 상기 교류기는 무시됨이 바람직하다. 상기 엔진이 감쇠부하상태 또는 차량이 크루징하는 특정상태아래에 있을때와 같이, 상기 차량이 과잉 에너지모드일 때, 상기 교류기는 배터리를 충전하도록 턴온된다. 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 배터리상태를 계속적으로 감시하고, 높은 내부저항 또는 결함있는 배터리와 같이, 오류상태에 대해 사용자에게 경고하기 위한 수단을 포함한다.
도1을 참조하면, 프로세서 제어동작을 수행하는 프로그램과 배터리 동작 파라메터와 관련된 데이터 또는 테이블을 저장하기 위한 램(RAM) 및 롬(ROM)을 포함하는 관련 메모리(도시생략)와 프로세서(100)가 도시되어 있다. 프로세서(100)는 교류기 제어 유니트(120)와 상기 교류기와 관련된 정보를 수신하기 위한 배터리 제어 유니트(140) 및 배터리 각각에 접속된다. 또한 상기 프로세서가 차량/엔진 상태를 감시하고 결정하기 위해 차량의 현재 센서에 접속될 수 있는 것은 이 기술분야의 당업자에게는 자명한 사실이다. 예를들어, 매니폴드(manifold), 연료압력 또는 공기흐름 센서 또는 태코메터는 매니폴드 압력, 공기흐름/연료 비율, 엔진회전수등을 결정하도록 프로세서(100)에 의해 감시된다.
교류기 제어 유니트(120)는 상기 교류기와 레귤레이터간에 택일적으로 접속되고, 상기 교류기 제어 유니트(120)는 크기와 전류흐름방향으로 교류기(110)의 전류를 감지하기 위한 전류센서(115)를 포함하거나 이에 접속되는 것이 바람직하다. 또한 교류기 제어 유니트(120)는 상기 교류기 전압 그리고 교류기의 회전수 또는 속도를 감시한다. 상기 언급한 보츠 새(Bosch SAE)의 핸드북에 보인 바와같은 종래 교류기의 'W'단자는 교류기의 회전수로 변화되는 단위시간당 이벤트(events per time)를 제공하고, 이는 회전수 전단증폭기(117)에 의해 증폭된다. 교류 제어 유니트(120)로부터의 정보를 프로세서(100)에 제공하기 전에, 상기 정보는 AD변환기(도시생략)에 의해서 디지털 데이터로 변환된다. 디지털 데이터의 측정을 위한 임의적인 접근방법이 사용될 수 있으며, 이 경우, 상기 AD변환기는 필요없게 된다. 바람직하게, 프로세서(100)는 교류기 제어 유니트(120)를 통해 교류기 필드 여자 전류를 제어함으로써 교류기(110)의 턴온 및 턴오프를 제어한다. 상기 프로세서(100)에서 교류기 제어 유니트(120)로 제공되는 데이터는 교류기 제어 유니트(120)내 AD변환기에 의해 아날로그 신호로 변환된다.
배터리 제어 유니트(140)는 배터리 제어 유니트(140)의 부분이 될 수 있고,배터리 제어 유니트(140)의 외부에 배치될 수도 있는, 홀효과 변환기와 같은, 배터리전압 및 전류센서를 감시하기 위해 배터리(130)의 양극 및 음극단자에 접속된다. 배터리(130)를 배터리 제어 유니트(140)에 접속하는 배터리 상태 라인(138)은 배터리온도, 전해액레벨, 그리고 개스(gas) 지시점(points)과 같은 배터리 상태 데이터를 전송하기 위한 것이다. 배터리에서 읽은 온도는 바람직하게는 배터리(130) 주위에 배치된 써미스터(도시생략)와 같은 온도감지수단에 의한 것이다. 또한 배터리 제어 유니트(140)는 상기 연료 주입기(150)에 입출력되는 전류흐름을 감지하기 연료 주입기와 전기 제어장치에 차례로 접속된 전류 센서(155)에 차례로 접속되는 에 접속된다. 도4에 도시되어 있고 하기에 보다 상세히 기술되는 바와같이, 상기 연료 주입기에 제공되는 전류는 프로세서(100) 또는 상기 엔진제어유니트에 의해 감시되는 파라메터이다. 상기 연료 주입기 전류 펄스폭은 교류기(110)를 턴온 및 턴오프시키기 위한 하나의 상태로 사용된다. 또한 상기 배터리 제어 유니트(140)내의 정보는 프로세서(100)로 제공되기 전에 AD변환기에 의해 디지털 신호로 변환된다.
상기 교류기와 배터리를 제외한 도1의 구성요소는 회로 카드등에, 집적회로, 또는 '애드-온(add-on)' 애프터-마켓(after-market)으로 배치된다. 상기 프로세서, 그와 관련된 메모리, 전류센서, 증폭기 및 신호 조절수단, AD 및 DA변환기와 같이 여기에 기재되거나 사용되는 각종 구성요소들은 더 이상의 기술을 요하지 않는 총칭적인 주지 구성요소임은 당업자에게 자명하다. 또한, 프로세서(100), 교류기 제어 유니트(120) 및 배터리 제어 유니트(140)에 의한 구조와 기능은, 보통 최신 모델 자동차내에 존재하는 엔진 제어 유니트 보드상에 함께 통합된다. 상기 기능과 관련된 저장 프로그램은 제조시 설치된다.
도2는 본 발명에 따른 도1에 도시된 구성요소를 이용하는 교류기 제어 처리의 대표적인 흐름을 보이고 있다. 상기 프로세서가 200에서 초기화되기 전에, 프로세서(100)는 분극, 충전상태, 배터리용량, 전압 및 다른 배터리의 동작데이타를 포함하여 내부저항을 계산하여 이와 관련된 메모리에 저장한다. 이들 값은 배터리와 엔진크기에 의존하기 때문에, 이들은 설치시에 측정된후 메모리에 입력된다. 또한 교류기의 온/오프를 결정하기 위해 사전에 설정된 상태는 이와 관련된 메모리에 저장된다. 상기 상태는 온도 하한, 엔진 동작중에 배터리가 항상 충전될 수 있는 충전상태 안전 최소값 이하 그리고 배터리가 충전되지 않는 충전상태 최대값 이상, 배터리가 유지되는 범위내의 최적의 충전상태, 휴식주기, 교류기의 턴온 및 턴오프시키기 위한 상태, 그리고 다른 안전 차단(safty overrides)등을 포함한다.
상기 차량이 전기적으로 턴온될때(종래 엔진 시작) 그리고 엔진시작동안에, 교류기 제어 유니트(120)와 배터리 제어 유니트(130)는 다수의 센서와 감시기로부터 동작데이타와 전압 및 전류정보 그리고 프로세서(100)에 제공되는 정보를 수집한다. 여기서 충전상태와 내부저항과 같은 배터리 동작 데이터는 계산되고 프로세서 메모리에 저장된 테이블내 해당 측정값은 갱신된다.
상기 배터리의 충전상태는 충전통합 및 오픈회로 전압(OCV)기술중 하나 또는 그들의 조합을 사용하여 계산된다. 후자 기술을 이용하면, 완전히 충전된 납 산 셀(lead acid cell)의 오픈회로 전압이 완전히 방전된 셀의 오픈회로 전압보다 대략 0.2V 높게 나타남을 보여주고 있다. 상기 셀 전압은 이들 극값사이 내에서 선형적으로 변화한다. 배터리에 출입하는 전류가 없을 경우에 배터리의 전압은 정상적으로 상기 오픈회로전압으로서 언급된다. 자동차의 납 산 배터리는 정상적으로 6개의 셀을 가지며 완전히 충전된 배터리는 대략 12.7V 또는 더 높은 전압을 가지기 때문에, 충전상태는 하기 수학식1과 같이 계산된다.
이와같은 계산에 사용된 셀 전압은 극성과 무관하다. 상기 극성은 정상적으로 용적내에서 전해액 집중과 비교되는 전극근처 또는 전극에서 전해액 집중의 비균일성으로부터 발생된다. 비록 상기 배터리에 실질적인 전류 출입이 없을 경우라도, 충전 또는 방전후 몇분동안 변하지 않게 측정된 전압은 의미있는 극성 전압을 포함한다.
충전상태를 계산함에 있어서의 충전 통합 기술은 주어진 시간주기에 대해 배터리에 출입하는 전류의 통합과 관련된다. 감시기(monitor)는 사전에 결정된 배터리의 충전상태에서 전하(charge)를 계수하기 시작한다. 전원에서 배터리로의 전체 전하는 배터리에 저장된 전하에 더해진다. 유사하게 시작동안 배터리에서 소모되는 전하 그리고 차량 그리고 그 전기적인 구성요소 및 부속품에 의한 전하는 그 전하에서 빼어진다. 상기 배터리 용량에 의해 분할되는 이 순수 전하는 배터리의 충전상태로 주어진다. 상기 감지기는 항상 배터리가 완전히 충전됨을 감지하고, 충전상태를 100%까지 설정한다. 상기 배터리의 완전 충전된 상태는 배터리의 오픈 회로전압이 미리 설정된 전압, 대략 12.7이상이다. 엔진시작처리동안에 측정방법을 이용하여, 상기 감시기는, 배터리에 출입하는 전류의 시작과 끝에서 전압의 순시변화로부터 결정될 수 있는 내부저항을 결정한다. 예로서, 방전 펄스 전류를 위한 부속품 또는 충전 펄스 전류를 위한 차량의 전원중 하나를 이용하는 것과 같이, 이를 달성하기 위한 많은 방법이 있다는 것을 이 분야의 당업자는 알고 있을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 자동차 배터리의 내부저항(IR)은 하기 수학식2에 따라 그 오픈 회로 전압(OCV), 첫 번째 측정전압(Vs) 그리고 시작처리동안에 배터리에서 시작부하까지 흐르는 초기 전류(Is)로부터 결정된다.
배터리의 최대 순시 파워 출력은 내부저항과 반비례 관계에 있다. 따라서, 상기 배터리의 파워 출력 용량은 내부 저항으로부터 결정될 수도 있다.
상기 배터리의 분극 저항(PR)은 전극내 전해액 집중의 불균일성에서 플레이트사이의 전해액의 용적까지 발생한다. 그것은 하기 수학식3에 따라 상기 파라메터,Vs와 Is 그리고 사전에 결정된 시간간격후 배터리전압 또는 시작처리동안에 읽은 마지막 전압(V1)으로부터 결정된다.
상기 기술한 바와같이 많은 파라메터가 배터리 충전상태에 영향을 미치기 때문에, 배터리가 최적 배터리 성능을 위해서 유지되어야 하는 최적 충전상태 범위는 각종 배터리에 대해 각각 다르다. 또한 배터리 용량은 충전상태에 영향을 미친다. 자동차의 배터리 시작 용량은 보통 저온 크랭킹 암페어(CCA)로 간주되며, 이는 통상적으로 승객용 차량과 라이트 트랙(light trucks)에 대한 550 내지 1100 CCA의 범위내에 있다. 보다 큰 엔진은 보통 보다 높은 CCA를 갖는 배터리가 사용된다. 주어진 자동차에 대해 배터리의 CCA가 높을수록, 최적 충전상태 범위는 보통 낮아진다. 배터리 충전에 대해 하한 충전값과 상한 충전값 사이의 통상적인 최적 충전상태 범위는 각각 대략 85 내지 92% 충전상태이다.
다시 도2를 참조하면, 단계205에서 엔진이 시작될 때, 교류기에 출입하는 임의의 전류가 상기 교류기(205)를 턴온시킬 없도록 휴식(time-out)은 시작된다. 상기 휴식은 차량의 배기 성능을 개선하고 높은 엔진 파워 요구 시간동안에 교류기를 차단하기 위한 목적이다. 그러나, 상기 교류기의 턴오프 또는 휴식은 차단될 수 있고 온도센서(S)가 냉각온도를 지시하는 경우와 같이, 약한 배터리에 대한 충전이 요구되는 상태를 지시하면 상기 교류기는 턴온된다. 상기 휴식주기는 차량에 의존적이고 본 실시예의 설명을 위해, 단계215에서 대략 90초에 설정된다. 프로세서(100)는, 교류기 제어 유니트(120)와 배터리 제어 유니트(130)와 결합하여, 배터리와 교류기 데이터를 계속적으로 감시하고 현재 충전상태와 내부 저항값(210)을 주기적으로 갱신한다. 휴식후, 충전상태는 충전상태 안전 최소값과비교되고 만약 충전상태가 사전에 설정된 최소값이하 이면(230), 충전상태 플래그가 턴온되어 프로세서(100)에 알리고 교류기 여자 전류를 턴온시켜 배터리를 충전시킨다(235). 만약 갱신된 충전상태가 사전에 설정된 충전상태 최대값이상 이면(240), 상기 충전상태 플래그는 단계245에서 턴오프되고 상기 교류기 여자전류도 턴오프된다. 바람직하게 상기 충전상태 안전 최소값은 대략 75%로 설정되고 상기 충전상태 최대값은 100%로 설정된다.
다수의 센서와 검출기가 엔진의 환경과 부하상태를 감시하기 위해 이용된다. 예를들어, 프로세서 또는 엔진 제어 유니트는 엔진 매니폴드(manifold) 압력, 연료압력, 엔진 회전수, 공기흐름과 공기 연료 비율, 부속품의 사용정도 및 구동제어등을 감시하여 엔진부하를 결정한다. 상기 매니폴드 및 연료 압력은 압력센서에서 얻어지며, 공기흐름은 공기흐름센서에서 측정되고 엔진 회전수 또는 속도는 교류기 또는 연료 주입기 주파수중 하나를 측정하는 센서를 포함하는 많은 감지수단에 의해 얻어지며, 상기 엔진, 교류기 및 연료 주입기 주파수사이에는 정해진 관련성이 있다. 엔진이 본래 모든 과잉 에너지모드에서 동작하는 경우에 엔진과 환경 부하상태의 키 지시기(indicator)는 엔진등에 의해 소모되는 연료의 량이고, 적은 량 또는 연료 없음이 엔진에 공급되면 엔진요구는 낮거나 영(zero)이며, 이는 차량이, 예를들어, 차량의 블레이킹(vehicle braking), 감속(decelerating), 타성주행(coasting), 크루징(cruising), 언덕 하강주행(traveling downhill)등의 과잉 에너지 모드중 하나의 상태에 있다.
연료절약을 위해, 비교적 일정한 속도로 크루징하는 경우에 자동차는 경제적으로 작동된다. 크루징하는 동안, 엔진부하는 차량을 전진시켜 속도를 유지하는데 요구되는 에너지에 기여하는 차량의 운동량으로 '감쇠'된다. 예를들어, 1992 포드 토러스(Ford Taurus)와 같이 대략 2100 회전수의 속도로 60MPH로 크루징하면, 엔진 또는 도로부하는 대략 엔진비율의 14%이고 단지 대략 22마력이 엔진에 요구된다. 차량이 언덕 하강 주행하는 경우, 차량의 위치 및 운동 에너지는 대부분 아니면 차량의 이동에 요구되는 모든 에너지를 제공한다. 이와같은 감쇠 엔진 부하상태동안에, 엔진에 의해 소모되는 연료도 마찬가지로 감소된다. 이와같이 감쇠 엔진부하상태가 확인되면, 엔진에 의해 소모되는 연료와 엔진속도는 실질적으로 일정하게 된다.
그러므로, 상기 연료 주입기에 제공되는 전류의 펄스폭과 엔진속도를 감시함으로써, 상기 엔진부하상태를 결정한다. 다른 예에서, 만약 펄스폭이 대략 2 내지 3 밀리초(milliseconds)로 거의 영(zero)이 되고 엔진속도가 대략 아리들(idle)한 속도이면, 상기 차량은 타성주행과 같다. 상기 엔진부하가 다시 감쇠하고 차량이 과잉 에너지모드로 된다. 반대로, 상기 엔진시작동안에 전류펄스폭은 20 내지 23 밀리초 범위로 되고 가속동안에는 10 내지 12 밀리초 범위로 된다.
차량이 감속할 때 또는 브레이킹동작할 때와 같이 다른 과잉 에너지모드에 있어서, 운동량과 엔진-생산 에너지가 소모되어 차량이 서행하게 된다. 본 발명에 따른 실시예의 시스템은 과잉 에너지모드 및 엔진부하상태를 상기 연료 주입기 여자 전류의 펄스폭(PW)내 감쇠를 검출함에 의해 결정되는 '감쇠(declining)'엔진부하로 특정한다. 따라서, 상기 연료 주입기에 제공되는 전류를 특정하는 펄스폭(PW)은 감쇠 또는 감소 엔진부하상태를 포함하는 과잉 에너지 모드를 결정하도록 이용된다. 이와같이, 상기 차량이 과잉 에너지모드중 하나의 상태일 때 존재하는 과잉 에너지는 회복될 수 있거나 저장된 전기 에너지로 전송된다.
다시 도2를 참조하면, 본 발명에 따라 도시한 시스템은 5 밀리초보다 크게 되는 연료 주입기 펄스폭(PW)을 감시함으로서 감쇠 엔진부하상태를 결정하고 펄스폭 지속기간내 감쇠는 연속적인 연료 주입기 펄스폭사이에서 검출된다(315). 예를들어, 상기 펄스폭은 10 내지 8 밀리초의 지속기간에서 감쇠한다. 만약 양자의 상태가 만족되면, 프로세서(100)는 과잉 에너지 모드, 즉 감쇠 엔진 부하상태(예, 올려진 감쇠 플래그를 검출함에 의해)가 존재함을 결정하고, 이때 여자 전류는 상기 교류기에 인가되어 배터리를 충전시킨다(325). 만약 상기 상태중에 하나가 만족되지 않으면, 상기 교류기는 오프상태로 남게 된다. 상기 펄스폭이 2 내지 3 밀리초에서 거의 영으로 됨이 검출되면(330), 또 하나의 과잉 에너지 모드, 즉 감소된 엔진 부하상태가 존재하고 상기 교류기는 턴온된다(325). 상기 도시한 흐름도내에 사용된 펄스폭 지속기간이 각종 배터리, 엔진 또는 차량에 대해서 다르고 따라서 변화된다는 것은 이 분야의 당업자에게 자명하다. 이때 적절한 펄스폭 지속기간값은 배터리, 엔진 및 차량사양에 의존하는 감소 또는 감쇠 엔진부하상태를 대신하여 본 발명의 잇점을 달성한다. 또한 상기 연료 주입기 펄스 전류는 차량 부하 전류파형을 그 구성성분으로 분석함으로써 산술적으로 결정된다(상기 연료 주입기 전류 센서의 위치에서).
이롭게도, 이와같은 엔진부하상태 동안에 배터리 충전은 에너지 변화, 차량에 의해 수립된 운동량 또는 엔진에 의해 생산된 파워중 하나에 에 영향을 미치며, 그렇지 않으면 이는 배터리에 의해 저장된 전기 에너지로 사용된다. 본 발명에 따른 다른 실시예에 따르면, 도1에 도시한 소프트웨어 제어장치는 또한 과잉 에너지를 변형시키고 반면 배터리를 충전상태의 최적 동작 범위 이내로 유지시키기 위해 인가된다. 도3을 참조하면, 이는 충전상태(SOC)값(y축) 대 시간(x축)의 좌표로, 충전상태 안전 최소값과 충전상태 최대값과 같은 예시한 충전값은 각각 대략 75% 내지 100%로 설정된다. 상기 예시한 최적 충전상태범위는 대략 85%의 하한 제어값(LCV)과 대략 92%의 상한 제어값(UCV)을 가진다. 상기 배터리의 충전상태가 하한 제어값(LCV)이하로 떨어지는 경우를 프로세서(100)가 결정하고, 임의의 과잉 에너지 모드가 검출될 때 마다 상기 교류기 필드 전류는 배터리를 충전하도록 턴온된다. 예를들어, 전하는 감소 또는 감쇠 엔진 부하 상태동안에 인가되고 전하는 차량 가속(B에서)동안에는 인가되지 않는다. 상기 충전상태는 선택된 충전과 시간으로 증가함을 알 수 있다.
충전상태가 상한 제어값(UCV)에 도달하면, 상기 배터리는 최적 범위 이내로 유지시키기 위해서 단지 몇가지의 과잉 에너지모드에서 충전될 필요가 있다. 이와같은 시간(C와 E사이)동안에, 감쇠 엔진 부하 상태가 감지되면(D에서) 배터리는 충전됨이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 사용은 배터리를 최고 동작 효율로 유지시키는 한편, 엔진의 효율적인 파워 출력상의 증가는 거의 없거나 전혀 없다.
도4는 연료 주입기의 전류 펄스폭을 감시하기 위한 회로구성을 보이고 있다. 도4에 도시된 바와같이, 회로의 핀(9)은 전류센서(155)(도1)에 접속되고, 전류값은 이 회로에 의해 처리되며 처리된 값은 핀(14)에서 배터리 제어 유니트(140)을 통해 프로세서에 데이터로 출력된다.
소프트웨어 프로그램과 이와 관련된 프로세서는 배터리의 안전상태를 감시한다. 그 일예가 단계(400)(도2)에 도시되어 있다. 배터리의 부하가 사전에 설정된 특정 부하 최대값을 초과하면, 여자 전류는 상기 교류기(325)에 인가된다. 예시한 다른 안전상태는 경보 배터리 상태로 되는데, 이는 사전에 설정한 안전값이하로 떨어지거나 초과하는 내부저항, 분극 또는 온도를 포함한다.
도5는 중앙 테스트 프로시져(Federal Test Procedures:FTP-75)에 따라 수행된 시험의 결과를 보이고 있다. 종래 교류기/레귤레이터를 갖는 1992 포드 토러스 세단(Ford Taurus Sedan)은 시험용 차량으로 사용되었다. 본 발명에 따른 장치를 이용하여 또한 본 발명에 따른 장치없이 종래의 교류기/레귤레이터를 이용하여 FTP-75시험이 수행되었다. 전류 프로브와 오실로스코프와 스코프 카메라를 이용하여, 상기 교류기와 배터리에 대한 전류 파형이 두 시스템에 대해 기록되었다. 상기 전류센서 신호 또는 고속 A/D변환의 통합사용으로, 두 배터리와 교류기에 대한 전류가 측정되고 충전의 배터리상태(SOC)가 계산되었다. 본 발명에 따른 장치의 적용 시험후, 연료 경제적 잇점에 부가하여, 배터리에 제공되는 에너지가 실질적으로 증가되었음을 지시하는 시험 이전의 35 암페어-시간에 대비하여 배터리 적용 용량은 49 암페어-시간이었다. 도5의 곡선(A)은 종래의 교류기/레귤레이터에서 읽은 연비(MPG)를 보이고 있으며 곡선(B)은 본 발명에 따른 장치가 적용된 경우 대략 0.3 내지 0.6 연비(MPG)의 증가를 보이고 있다.
본 발명의 각 실시예에 대한 다양한 변형이 본 발명의 사상과 범위내에서 이루어질 수 있다. 예를들어, 엔진 매니폴드 압력은 연료 주입기 펄스폭의 위치에서 감지되어 엔진부하 상태를 결정할 수 있다. 절대압력 10Hg은 2밀리초의 펄스폭에 해당한다. 그러므로 상기 기술에 본 발명이 제한되지 않으며 바람직한 실시예의 설명에 한정되지도 않는다. 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 바와같이 당업자는 본 발명의 사상과 범위내에서 다양한 변경을 할 수 있다.

Claims (31)

  1. 엔진에 의해 구동되는 차량내의 배터리를 선택적으로 충전하기 위해 교류기를 제어하는 시스템에 있어서,
    배터리 상태를 감시하기 위한 프로세서와 이와 관련되어 저장된 프로그램을 포함하고, 충전상태(SOC)를 감지하기 위한 수단을 포함하는 컨트롤러;
    복수의 과잉 에너지 모드를 포함하는 엔진동작상태를 결정하는 수단; 및
    상기 복수의 과잉 에너지 모드중 하나가 결정될때 상기 배터리를 충전하기 위해 상기 교류기를 선택적으로 턴온시키기 위한 교류기 제어 수단;을 포함하고,
    상기 교류기 제어 수단은 배터리의 충전상태(SOC)를 85% 및 92% 사이로 유지시키기 위해 상기 배터리를 선택적으로 충전시키는 것을 특징으로 하는 차량 파워 관리 시스템.
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  10. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    배터리 내부저항을 포함하는 상기 배터리 상태를 감시하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 파워 관리 시스템 .
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  27. 제1항에 있어서, 상기 엔진동작상태를 결정하는 수단은
    상기 엔진에 연료를 제공하는 연료 주입기에 제공되는 전기 에너지를 감지하는 센서를 포함하고, 상기 복수의 과잉 에너지모드중의 하나는, 연료 주입기에 제공되는 전기 에너지가 주어진 기간보다 더 큰 펄스폭을 가질때 감쇠 엔진 부하 상태로 결정되고, 그리고 2개의 연속 에너지 사이클 내에서 감쇠하는 것을 특징으로 하는 차량 파워 관리 시스템.
  28. 삭제
  29. 제27항에 있어서, 상기 복수의 과잉 에너지 모드중 또 다른 하나는
    상기 센서가 상기 엔진에 제공되는 연료가 실질적으로 영(zero)으로 됨을 감지할 때 상기 엔진 동작상태를 결정하는 수단에 의해 감소 엔진 부하 상태로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량 파워 관리 시스템.
  30. 삭제
  31. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    엔진 시작후 주어진 시간 주기동안에 상기 교류기 제어 수단을 디스에이블링(disabling) 하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 파워 관리 시스템.
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