KR100435683B1 - 하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법 - Google Patents

Abstract

하이브리드 전기자동차에서 차량의 상태와 운전자의 의도를 판단하여 엔진 스로틀 제어와 모터의 전압 발전 명령을 제어하여 효과적으로 배터리를 충전시키고 배기가스의 배출을 최소화하도록 하는 배터리 충전방법에 관한 것이다.

본 발명은 배터리 관리 정보 및 차량 상태 정보가 배터리의 충전 요구가 있는지를 판단하는 과정과, 배터리의 충전 요구가 검출되면 ETC를 통한 스로틀 개도량 제어로 엔진 RPM의 변동을 최소화로 제어하는 과정과, 엔진 RPM의 변동을 감시하는 상태에서 실제 충전 전압과 설정된 목표 충전 전압을 비교하여 모터의 발전 토크 제어를 수행하는 과정과, 엔진 RPM과 모터 발전 상태가 안정화되면 ETC의 스로틀 개도량 제어값과 모터 발전 토크 값을 셋팅하여 배터리 충전을 수행시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법{CHARGE CONTROLLING METHOD OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 차량의 상태와 운전자의 의도를 판단하여 엔진 스로틀 제어와 모터의 전압 발전 명령을 제어하여 효과적으로 배터리를 충전시키고 배기가스의 배출을 최소화하도록 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 충전방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 전기자동차는 일반 가솔린 엔진에 ETC(Electric Throttle Control)를 추가하고 전기 모터를 직결한 형태로 CVT(Continuously Variable Transmission)를 통해 바퀴에 동력을 전달하는 형태로 구성된다.

이와 같은 하이브리드 전기자동차는 주행상황에 대응하여 엔진의 연비가 가장 높게 운전되도록 제어하고, 제동시와 감속시에 차량의 관성 에너지를 바퀴를 통해 전달 받아서 모터에 의한 전기에너지 회수로 배터리를 충전시킴으로서 기존 가솔린 엔진에 비해 연비 향상을 이룰 수 있다.

상기와 바와 같이 하이브리드 전기자동차의 배터리를 충전함에 있어 차속이나 감속요구 정도 등의 상황이 순간적으로 같을 경우가 없으므로 일정 전압으로 충전하는 경우는 전혀 있을 수 없으며, 또한 배터리의 충전상태가 낮은 경우에도 최대의 발전 효율이 우선이므로 일정한 전압의 충전은 일부 특별한 경우에만 적용되고 있다.

하이브리드 전기자동차에서 배터리를 충전함에 있어 ETC의 제어를 통해 엔진의 스로틀을 순간적으로 목표값까지 개방하게 되면 엔진은 ECU(Electronic Control Unit)의 제어에 사용되는 센서에 의해 MAP(Manifold Air Pressure) 또는 MAF(Mass Air Flow)를 센싱하는데, 이때 엔진의 출력은 일정시간 지체한 다음 엔진 회전수의 상승이 발생하게 되며 최대 토크(Torque)를 출력한다.

반면에 모터의 토크는 제어명령에 따라 엔진 토크나 회전수의 상승에 대비하여 시간 지체를 무시할 수 있을 정도로 빠르게 반응하므로 시간적으로 정확한 전력 제어가 불가능하게 된다.

그러므로 엔진 토크가 스로틀 개도에 따라 느리게 상승 및 하강하므로 ETC 스로틀의 개도 변화에 따라 모터 발전 토크 명령을 출력하게 되면 엔진의 출력이 비정상적으로 하강하여 엔진 스톨 현상이 발생하게 되는 문제점이 있으며, 모터 토크를 시간에 의한 지연으로 정확하게 제어하지 못하고 느리게 제어하는 경우 엔진 회전수가 비정상적으로 상승하여 모터의 발전을 제어할 수 없는 영역에 진입하게되거나 큰 폭의 엔진 회전수 변동이 발생하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 배터리가 비정상적으로 충전상태가 낮거나 일정 전압 형태로 충전 요구가 입력되는 경우 등의 각 상태에서 정확한 전기적 전압의 충전이 요구될 때 엔진을 통해 기계적 동력을 발생하고, 모터의 발전을 통한 전기 에너지로 배터리를 충전시키는 과정에서 차량의 상태와 운전자의 의도를 판단하여 엔진 회전수의 변동이 최소화되는 이상적인 엔진 회전수의 각 부하영역에서 효과적인 발전 제어로 배터리 충전을 도모하고, 배기가스의 배출을 억제하도록 한 것이다.

도 1은 일반적인 하이브리드 전기 자동차의 제어 시스템 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법을 수행하는 일 실시예의 흐름도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 하이브리드 전기자동차에 있어서, 배터리 관리 정보 및 차량 상태 정보가 배터리의 충전 요구가 있는지를 판단하는 과정과, 배터리의 충전 요구가 검출되면 ETC를 통한 스로틀 개도량 제어로 엔진 RPM의 변동을 최소화로 제어하는 과정과, 엔진 RPM의 변동을 감시하는 상태에서 실제 충전 전압과 설정된 목표 충전 전압을 비교하여 모터의 발전 토크 제어를 수행하는 과정과, 엔진 RPM과 모터 발전 상태가 안정화되면 ETC의 스로틀 개도량 제어값과 모터 발전 토크 값을 셋팅하여 배터리 충전을 유지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법을 제공한다.

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

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 하이브리드 전기자동차는 엔진의 시동이 온을 유지하는 상태에서 운전자에 의해 구동되는 가속페달의 위치 정보를 검출하는 APS(Accelerator Position Sensor;10)와, 주행중인 차량을 감속시키거나 정차시키기 위한 브레이크 페달의 구동 여부를 검출하는 BPS(Brake Position Sensor;20)와, 엔진 회전수를 검출하는 RPM 검출부(30)와, 각 구성요소들의 제어기를 통합하여 전체 차량의 거동을 제어하는 HCU(Hybrid Control Unit;40)과, 가속페달의 변위와 브레이크 페달의 구동 여부 등 운전자의 엔진 동력 성능 요구에 따라 HCU(40)에서 인가되는 제어신호에 의해 스로틀 밸브의 개도율을 제어하는 ETC(50)와, 엔진의 전반적인 동작을 제어하는 ECU(60)와, 가솔린의 연소를 통해 기계적인 동력을 발생시키는 엔진(70)과, 동력원들에 대한 출력 정보를 전달받아 변속비를 제어하고, 회생 제동량을 결정하는 TCU(Transmission Control Unit;80)과, 상기 TCU(80)의 제어에 따라 변속비가 조정되어 차량의 주행을 유지시키는 CVT(90)와, HCU(40)에서 인가되는 제어신호에 따라 모터 토크 제어 명령을 출력하여 모터(M)로 하여금 동력 발생과 제동 제어시 발전이 일어나도록 하며, 배터리(130)가 항상 적정한 충전상태(State Of Charge)를 유지하도록 하는 MCU(Motor Control Unit;100)와, 상기 MCU(100)의 제어에 따른 PWM(Pulse Width Modulation) 제어로 IGBT를 스위칭시켜 배터리(130)의 전압이 모터(M)에 공급되도록 함으로써 모터(M)를 거동시키는 인버터(110)와, 배터리(130)의 작동 영역내에서 전류와 전압 및 온도 등을 검출하여 충전 상태 및 관리를 수행하는 BMS(Battery Management System;120)으로 구성된다.

전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 하이브리드 전기자동차에서 배터리충전 제어를 수행하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

하이브리드 자동차가 운행되는 상태에서 HCU(40)는 배터리의 상태 정보 및 차량의 상태 정보를 판독하는데(S101), BMS(120)로부터 판독되는 정보가 배터리(130)의 충전 요구가 있는 것으로 검출되면 현재 차량의 상태가 배터리(130)의 전압 충전 수행이 가능한 조건을 유지하는지 판단한다(S102).

상기에서 배터리(130)의 충전 요구가 있으며 현재의 차량 상태가 배터리(130)을 충전할 수 있는 조건을 유지하는 것으로 판단되면 충전 주기를 카운터함과 동시에 요구전압에 따른 적정 엔진 PRM과 엔진 RPM의 최대치와 최저치를 계산한 다음(S104), 카운터한 충전 주기가 배터리(130) 충전 제어 주기와 일치하는지를 판단한다(S105).

상기에서 카운터 값이 충전 제어주기와 일치하는 것으로 판단되면 현재 엔진(70)의 RPM을 검출하여 발전 효율 적정치 이하이고, ETC(50)의 스로틀 밸브 개도량이 제어 가능 최고치 이하를 유지하는지를 판단한다(S106).

상기의 판단에서 엔진(70)의 RPM이 발전 효율이 적정치 이하를 유지하고 ETC(50)의 스로틀 밸브 개도량이 제어 가능 최고치 이하를 유지하고 있는 것으로 판단되면 HCU(40)는 ETC(50)측에 스로틀 밸브를 개방하라는 제어 명령을 출력하여 스로틀 밸브 개도량을 소정량 증가시켜 엔진(70)의 RPM과 출력 토크를 상승시켜 준다(S107).

상기 S106의 판단에서 엔진(70)의 RPM이 발전 효율이 적정치 이상을 유지하고 ETC(50)의 스로틀 밸브 개도량이 제어 가능 최고치 이상을 유지하고 있는 것으로 판단되면 엔진(70)의 RPM이 충전제어 제한 최고치 이상을 유지하고 있는지를 판단하여(S108), 엔진(70)의 RPM이 충전 제어 제한 최고치를 유지하고 있는 상태인 것으로 판단되면 ETC(50)측에 스로틀 밸브를 폐쇄하라는 제어 명령을 출력하여 스로틀 밸브 개도량을 소정량 감소시켜 엔진(70)의 RPM과 출력 토크를 감소시켜 준다(S109).

상기와 같은 제어를 통해 엔진(70)의 RPM과 출력 토크의 증감조정 통해 배터리(130)의 충전이 수행되거나 상기 S108에서 엔진(70)의 RPM이 충전 제어 제한 최고치 이하를 유지하고 있는 상태이면 BMS(120)로부터 검출되는 배터리(130)의 실제 충전 전압과 설정된 목표 충전 전압을 비교하여 그에 따른 제어 동작을 수행한다(S110).

상기 S110에서 배터리(130)의 실제 충전전압이 설정된 목표 충전전압보다 큰 상태를 유지하고 있으면 배터리(130)의 충전이 완료된 것으로 판단하여, 충전 설정 전압의 2배가 실제 충전전압 보다 큰 상태인지를 판단하고(S111), 충전 설정 전압의 2배가 실제 충전전압 보다 작은 상태를 유지하고 있으면 충전 전압의 감소를 느리게 하는 제1기울기의 제1제어명령 출력으로 모터 발전 토크를 제어하며(S112), 큰 상태이면 충전전압의 감소를 최대로 하는 제2기울기의 제2제어명령 출력으로 모터 발전 토크를 제어한다(S113).

상기 S110에서 배터리(130)의 실제 충전전압이 설정된 목표 충전전압보다 작은 상태를 유지하고 있으면 배터리(130)의 연속적인 충전이 요구되고 있는 것으로 판단하여 충전 설정전압의 1/2이 실제 충전전압 보다 큰 상태를 유지하는지를 판단하고(S114), 충전 설정전압의 1/2이 실제 충전전압 보다 큰 상태를 유지하고 있으면 배터리(130)의 급속 충전이 요구되고 있는 것으로 판단하여 충전전압의 공급을 최대로 하는 제3기울기의 제3제어명령의 출력으로 모터 발전 토크를 제어하며 (S115), 충전 설정전압의 1/2이 실제 충전전압 보다 작은 상태를 유지하고 있으면 배터리(130)의 완속 충전이 요구되고 있는 것으로 판단하여 충전전압의 공급을 보통으로 하는 제4기울기의 제4제어명령의 출력으로 모터 발전 토크를 제어한다 (S116).

또한, 상기 S110에서 배터리(130)의 실제 충전전압과 설정된 목표 충전전압이 서로 같은 전압 상태를 유지하고 있거나 상기 제1내지 제4기울기를 통한 모터 발전 토크 제어로 모터(M)의 발전 토크 및 ETC(50)의 스로틀 밸브 개도량 제어가 진행되고 있는 상태에서 엔진(70)의 RPM이 최저 발전 가능치 이상을 유지하는지를 판단하여(S118), 엔진(70)의 RPM이 최저 발전 가능치 이상을 유지하지 않으면 발전 제어명령을 '0'으로 하여 엔진 RPM의 변동이 발생되지 않도록 한 다음 초기 단계로 리턴하고(S119), 상기에서 엔진(80)의 RPM이 최저 발전 가능치 이상을 유지하는 상태이면 현재의 엔진(70) RPM이 충전 적정 RPM 이상을 유지하는지를 판단한다 (S120).

상기에서 현재의 엔진(70) RPM이 충전 적정 RPM 이상을 유지하고 있지 않은 상태이면 엔진 RPM의 변동이 발생될 소지가 있는 것으로 판단하여 초기 단계로 리턴하고, 충전 적정 RPM 이상을 유지하고 있는 상태이면 현재의 엔진 RPM과 모터 구동 토크를 셋팅하여 배터리(130)의 충전을 유지하여 준다(S121).

또한, 상기 S102의 판단에서 배터리(130)의 충전 요구가 발생하지 않거나 현재의 차량 상태가 배터리(130) 전압을 충전할 수 있는 조건을 유지하고 있지 않은 것으로 판단되면 배터리(130)의 충전제어에 관한 변수를 클리어 한 다음 통상적인 주행동작을 수행한다(S103).

또한, 상기 S105에서 카운터된 충전 주기가 제어주기와 일치하지 않는 경우 ETC(50)의 스로틀 개도량 제어명령과 모터 발전 명령을 최대치로 고정시켜 최고의 토크로 배터리(130)의 충전을 수행한다(S122).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 차량의 상태와 운전자의 의도에 따라 엔진 RPM의 변동이 최소화되는 이상적인 엔진 회전수를 유지하는 각 부하 영역에서 하이브리드 전기자동차의 배터리 충전을 수행하므로, 배터리 충전이 효과적으로 수행되며, 토크 변동이 발생되지 않아 안정된 배기가스의 배출이 유지된다.

Claims (6)

1. 하이브리드 전기자동차에 있어서,

   배터리 관리 정보 및 차량 상태 정보가 배터리의 충전 요구가 있는지를 판단하는 과정과;

   배터리의 충전 요구가 검출되면 ETC를 통한 스로틀 개도량 제어로 엔진 RPM의 변동을 최소화로 제어하는 과정과;

   엔진 RPM의 변동을 감시하는 상태에서 실제 충전 전압과 설정된 목표 충전 전압을 비교하여 모터의 발전 토크 제어를 수행하는 과정과;

   엔진 RPM과 모터 발전 상태가 안정화되면 ETC의 스로틀 개도량 제어값과 모터 발전 토크 값을 셋팅하여 배터리 충전을 수행시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 엔진 RPM 변동의 최소화 제어는 배터리의 충전 요구가 검출되면 충전 주기를 카운터함과 동시에 충전 요구 전압에 따른 적정 엔진 RPM과 엔진 RPM의 최대/최저치를 연산하는 단계와;

   카운터된 충전 주기와 제어 주기가 일치하는지를 판단하는 단계와;

   카운터된 충전주기와 제어주기가 서로 일치하는 상태에서 엔진 RPM이 발전 효율의 적정치를 유지하고 ETC의 스로틀 개도량이 제어 가능 최고치 이하를 유지하면 ETC의 스로틀 개도를 개방으로 제어하는 단계와;

   상기 단계에서 카운터된 충전주기와 제어주기가 서로 일치하는 상태에서 엔진 RPM이 충전 제어 제한 최고치 이상을 유지하면 ETC의 스로틀 개도를 폐쇄로 제어하는 단계를 포함하여 엔진 RPM의 변동을 안정화하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 모터 발전 토크 제어는 배터리의 실제 충전전압이 설정된 목표 충전전압 이상이면 설정된 목표 충전전압의 2배가 실제 충전전압 보다 큰 상태인지를 판단하는 단계와;

   상기에서 설정된 목표 충전전압의 2배가 실제 충전전압 보다 큰 상태이면 제1발전명령으로 모터 토크를 감소 제어하고, 설정된 목표 충전전압의 2배가 실제 충전전압 보다 작은 상태이면 제2발전명령으로 모터 토크를 감소 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지자동차의 충전 제어방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 모터 발전 토크 제어는 배터리의 실제 충전전압이 설정된 목표 충전전압 이하이면 설정된 목표 충전전압의 1/2이 실제 충전전압 보다 큰 상태인지를 판단하는 단계와;

   상기에서 설정된 목표 충전전압의 1/2이 실제 충전전압 보다 큰 상태이면제3발전명령으로 모터 토크를 증가 제어하고, 설정된 목표 충전전압의 1/2이 실제 충전전압 보다 작은 상태이면 제4발전명령으로 모터 토크를 증가 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전지자동차의 충전 제어방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 엔진 RPM이 최저 발전 가능치 이하이면 발전 제어 명령을 '0'으로 하고. 이상이면 충전 적정 RPM 인지를 판단하여 발전 제어 명령을 셋팅하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법.
6. 제2항에 있어서,

   상기 카운터된 충전주기와 제어주기가 서로 일치하지 않는 경우 ETC의 스로틀 개도량을 최대로 개방시킴과 동시에 모터의 발전 토크를 최대로 고정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 충전 제어방법.