KR100454491B1

KR100454491B1 - 자동차교류발전기의제어방법및장치

Info

Publication number: KR100454491B1
Application number: KR10-1998-0710246A
Authority: KR
Inventors: 필리프 데로쉬; 파스칼 데가르댕; 한스-게오르그 바일
Original assignee: 지멘스 파우데오 오토모티브 에스.아.에스
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 2005-01-15
Also published as: ES2205213T3; JP2000512120A; DE69723695T2; DE69723695D1; WO1997048164A1; FR2749991B1; FR2749991A1; US6215283B1; EP0904624B1; KR20000016647A; EP0904624A1

Abstract

본 발명은 내연 기관 엔진이 부착된 자동차의 전기 소모 부품(4)에 전류를 공급하고, 배터리(3)를 충전시키는 교류 발전기(2)를 제어하는 방법 및 장치(1)에 관한 것으로서, 각각의 운행 경로에 대해, 교류 발전기의 가능한 회전 속도[Ω_a(t)]를 시간대 별로 얻은 시간 프로파일 및 전기 소모 부품에 의해 소모된 전류(I_c)에 의해 교류 발전기의 여기 전류(I_e) 세기를 제어한다. 임의로 교통량 정보의 수신기(7')와 함께 항법 장치(7)에 의해 제공된 데이터로부터 교류 발전기 회전 속도를 시간대 별로 측정하는 것이 바람직하다.

Description

자동차 교류 발전기의 제어 방법 및 장치{MOTOR VECHICLE ALTERNATOR CONTROL METHOD AND DEVICE}

종래의 기술, 특히 프랑스 특허 제2,594,273호에는, 교류 발전기 제어 장치가 감속 상태에서는 이를 과도-여기(overexcitation)시키고, 가속 상태에서는 이를 여기-진정(de-excitation)시키도록 엔진 및/또는 자동차의 작동 조건에 따라 여기 전류를 조절할 수 있는 교류 발전기를 제어하는 장치가 기재되어 있다. 이와 같은 장치는 엔진 및 교류 발전기 조합의 전체 효율을 개선시킬 수 있다. 그렇지만, 이러한 개선은 배터리를 과도하게 방전시키는 것을 방지하도록 여기-진정 단계를 한정시킬 필요에 의해 제한되어 왔다. 사실상, 엔진의 순간 작동의 조건만을 고려하는 이러한 장치는 여기-진정 단계를 배터리 충전의 소정 레벨 이하로 유지할 수 없으며, 또한 설사 배터리를 재충전 해야할 조건이 차후에 발견된다 할지라도 교류 발전기가 다시 작동되도록 한다.

본 발명은 엔진 및 자동차의 작동 조건에 따라 교류 발전기의 여기 전류 세기를 제어하는 유형의 자동차 교류 발전기의 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것이다.

본 발명의 기타의 특징 및 이점은 본 명세서의 교시 및 첨부된 도면의 검토에 의해 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 기능을 나타낸 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 각각 종래 기술 및 본 발명의 방법을 사용하여 얻은 교류발전기 회전의 시간 프로파일에 따른 배터리의 충전 상태의 시간대별 비교 그래프이다.

도 3은 장치내에서 저장되고 본 발명의 방법에 의해 이용된 교류 발전기의 효율 곡선 다이아그램이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 계산기 2 : 교류 발전기

3 : 배터리 4 : 전기 소모부품

5 : 점화 또는 주입 계산기 6 : 드라이버 정보 장치

7 : 항법 계산기 7' : 교통 정보 수신기

8,9 : 전류 변환기 11 : 계산 수단

12 : 저장 수단 13 : 통신 수단

14 : 측정 수단 15 : 제어 수단

I_a: 교류 발전기에 의해 배출된 전류

I_b: 배터리 전류 I_c: 소모된 전류

I_e: 여기 전류 I_e(t) : 여기 전류의 시간 프로파일

Ω_a: 교류 발전기의 회전 속도

Ω_a(t) : 교류 발전기의 회전 속도의 시간 프로파일

Ω_idle: 감속시의 교류 발전기의 회전 속도

N : 엔진의 회전 속도 EDC : 배터리 충전 상태

EDC_min: 배터리 충전 상태의 최소 한계치

따라서, 본 발명의 목적은 전체 운행경로에 대한 동작 조건을 고려하여 교류 발전기와 엔진 조합의 최적화를 개선시킬 수 있는 자동차 교류 발전기의 제어 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적 및 본 명세서에서 이후 제시될 목적들은 내연 엔진을 가진 자동차의 전기 소모부품에 전력을 공급하며 배터리를 충전시키는 전류를 전달하는, 교류 발전기를 제어하는 방법에 의해 달성되며, 이러한 방법에서 운행경로에 대한 엔진 및 자동차의 동작 조건에 따라 교류 발전기의 여기 전류의 세기를 제어한다. 본 발명에 의하면, 각각의 운행경로에 대해, 배터리 초기 충전 상태를 결정하는 단계, 운행경로당 교류 발전기 회전 속도의 가능한 시간 프로파일을 계산하는 단계, 전기 소모부품에 의해 소모된 전류를 측정하는 단계, 운행경로 종반에 배터리의 최종 충전 상태가 소정의 한계치 이상이 되도록 교류 발전기의 여기 전류의 최적의 시간 프로파일을 결정하는 단계, 및 결정된 전류 프로파일에 따라 여기 전류의 세기를 제어하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 소모된 전류에 대한 측정치가 주기적으로 업데이팅되며, 교류 발전기에 적용된 최적의 여기 프로파일이 각 업데이팅시 재계산된다.

본 발명의 제1 실시예에 의하면, 선행의 운행경로에서 수행된 기록으로부터 교류 발전기 회전 속도의 시간 프로파일이 계산된다.

본 발명의 제2 실시예에 의하면, 자동차에 탑재된 항법 장치에 의해 공급되는 예정된 운행경로에 대한 정보로부터 교류 발전기 회전 속도의 시간 프로파일이 계산된다.

이와 같은 유형의 실시예에 있어서, 항법 장치와 결합된 RDS 유형의 교통 정보 수신기에 의해 제공되는 소정의 운행경로상에서의 교통량에 대한 정보를 추가로 이용할 수 있다.

본 발명의 중요한 특징에 의하면, 교류 발전기의 회전 속도가 소정의 한계치보다 클 경우 교류 발전기의 효율이 최대가 되고, 반대의 경우 여기 전류가 0이 되도록 여기 전류의 최적 시간 프로파일이 계산된다.

본 발명에 의하면, 엔진 관리 및 항법 장치들중 적어도 하나 이상을 구비한 통신 수단; 배터리의 충전 상태 및 자동차 전기 소모부품에 공급되는 전달된 전류의 세기를 결정하도록 장착된 측정 수단; 운행경로 종반에 배터리의 최종 충전 상태가 소정의 한계치 이상이 되도록 상기 통신 수단에 의해 전달된 정보로부터 각 운행경로의 초기에 운행경로에 대한 교류 발전기 회전 속도의 가능한 시간 프로파일을 계산하고, 측정 수단에 의해 제공된 정보에 따라 교류 발전기 여기 전류의 최적 시간 프로파일을 결정하기 위해 장착된 계산 수단 및 저장 수단; 및 교류 발전기에 전달된 여기 전류의 세기를 제어하는 수단을 포함하는, 전술한 방법을 실시하기 위한 장치가 제공된다.

도 1에는, 자동차 교류 발전기(2)의 여기 전류(I_e)를 제어하는 제어 수단(15)을 포함하는 계산기(1)가 도시되어 있다. 교류 발전기(2)는 자동차 엔진(도시 생략)에 의해 회전동작되며, 배터리(3) 및 전기 소모부품(4)에 전류 I_a=I_b+I_c를 전달한다. 통상적으로 여기 전류(I_e), 교류 발전기의 회전 속도(Ω_a) 및 전기 소모부품(4)에 공급되는 전류(I_c)에 따라서, 교류 발전기에 의해 출력되는 전류는 배터리를 재충전하기 위한 전류(I_b)를 공급하기에 충분할 수 있거나 또는 배터리에서 발생한 음의 부호를 가진 전류(I_b)에 의해 채워진다. 이러한 전류는 홀(Hall) 효과 센서(8 및 9)와 같은 적절한 센서에 의해 측정되며, 이로부터의 신호는 계산기(1)내에 포함된 측정 수단(14)에 전달된다.

바람직하게 계산기(1)가 자동차의 전기 소모부품을 제어하는 중앙처리유닛으로 이용될 때, 전류(Ic)는 이들 소모부품의 제어 상태로부터 유도될 수 있다. 이와 같은 방법으로 배터리 양단의 전압(Vb)은 변환기(8)에 의해 측정 수단(14)에 전달될 수 있거나 또는 계산기(1) 자체가 전압(Vb)이 공급되는 소모부품이라면 직접 측정하면 된다. 계산기(1)는 하기에 상세하게 설명될 마이크로프로세서와 같은 계산 수단(11) 및 마이크로프로세서에 의해 실시 가능한 프로그램 및 데이터를 포함하기에 적합한 ROM 및 RAM 메모리와 같은 저장 장치(12)를 포함한다. 계산기(1)에는 VAN 또는 CAN 유형의 통신망 인터페이스와 같은 통신 수단이 설치되며, 이는 자동차의 다른 장치에서 발생한 정보, 이 경우 점화 또는 주입 계산기(5)에 의해 제공된 엔진의 회전 속도(N), 드라이버(6)에 정보를 제공하기 위한 장치에 의해 전달되는 날짜 및 시간에 관한 정보 및 탑재된 항법 계산기(7)에 의해 공급되는 경로 정보를 수신할 수 있도록 한다. 항법 계산기(7)는 경로상의 교통량에 의해 경로상의 정보를 보조할 수 있는 RDS형 교통 정보 수신기(7')에 연결되는 것이 바람직하다.

각각 종래 기술과 본 발명의 장치 동작을 나타내는 도 2a 및 도 2b의 그래프와 관련하여 도 1 장치의 동작을 설명하고자 한다. 속도가 t₀내지 t₂사이에서 엔진이 저속으로 회전할 때 속도가 거의 교류 발전기의 속도에 대략적으로 해당하는 값(Ω_idle)과 동일하며, t₂이후 속도는 예를 들면 4500 rpm의 엔진 속도에 해당하는 것과 같이 훨씬 높게 되도록 교류 발전기의 회전 속도를 시간 프로파일(Ω_a(t))이 그래프 상에 점선으로 나타내었다. 배터리(3) 충전 상태를 나타내는 변수 EDC의 변화는 실선으로 나타내었다. 이 변수는 배터리 단자들의 전압(V_b)의 함수로서만 간단히 예측되거나 또는 전압(v_b), 전류(Ib) 및 시간의 함수로서 반복 계산된다. 도 2a 및 도 2b에서, 엔진이 저속으로 회전하는 동안[교류 발전기의 회전 속도(Ω_idle)에 해당] 엔진을 감속시키기 위해 교류 발전기를 여기-진정시키는 것을 확인할수 있다. 결과적으로, 배터리(3)의 충전 상태(EDC)는 균일하게 감소되어 전기 소모부품(4)에만 공급된다. 시간 t₁에서, 충전 상태는 최소 한계치(EDC_min)가 되며, 종래 기술의 장치(도 2a)는 배터리의 충분한 충전이 유지되도록 하기 위해 교류 발전기가 다시 작동되도록 한다. 이는 엔진에 부가적인 부하를 부과하며 동작을 교란시키고, 오염을 유발하게 된다. 반대로, 본 발명에 해당되는 것으로 하기에서 상세하게 설명될 도 2b에서, 계산기(1)는 교류 발전기의 회전 속도의 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 알고 있으며, 향후 시간 t₂이후 배터리의 효율적인 충전 효율을 허용하는 교류 발전기의 회전속도 조건을 알 수 있도록 해준다. 그래서, 계산기는 자동차의 전기 소모부품에 의해 소모된 전류(I_c)에 따라 시간 t₂이후 시간 t₃에서 얻은 최소 한계치 이상으로 배터리를 재충전하기에 적절한 교류 발전기에 가해진 여기전류의 시간 프로파일[I_e(t)]을 결정할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 장치는 충전상태가 t₁에서 t₂까지 EDC_min한계치 이하로 떨어질 수도 있도록 하며, 엔진/교류 발전기 쌍의 동작을 최적화할 수 있다.

계산기(1)가 교류 발전기의 회전 속도의 시간 프로파일을 제공하게 하는 방법을 구현하기 위한 제1 실시예에 대해 살펴보기로 한다. 이 유형에서, 계산기(1)는 점화 또는 주입 계산기(5) 및 드라이버 정보 장치(6)에 의해 공급되는 정보만을 사용한다. 이러한 모든 정보로부터, 계산기(1)는 하기와 같은 방식으로 실험 데이터 베이스를 구성하여 저장한다: 운행경로 초기는 자동차의 스위치 온에 해당하는계산기의 스위치 온에 의해 검출된다. 그래서, 계산기는 정보 장치(6)에 의해 제공되는 일자와 시간을 판독하여 이러한 운행경로를 예정된 카테고리내에 분류한다. 원하는 최적화가 가장 효율적으로 수행되는 최단 운행경로들은 반복 운행경로들에 해당한다는 것을 인식할 때, 예를 들면, 운행경로가 6 시에서 10 시 사이, 월요일 내지 금요일 등에 개시되는 경우 평일 아침의 출발 일자 및 시간에 의해 특정수의 카테고리를 결정할 수 있다. 이어서, 통신 수단(13)을 경유한 점화 계산기(5)에 의해 제공되는 엔진의 속도 정보를 주기적으로 판독하여, 이를 통해 교류 발전기의 회전 속도(Ω_a)를 알아낸다. 이러한 속도는 운행경로의 출발 이후 경과된 시간에 해당하는 시간대(time slice)별로 저장 수단(12)에 기록된다. 예를 들면, 동일 시간대의 동일 운행경로 카테고리를 위한 선행의 운행경로시 얻은 것과 함께 얻어진 회전 속도 데이터의 평균을 얻을 수 있다. 이와 같이 하여 운행경로 카테고리에서의 교류 발전기의 회전 속도의 가능한 시간 프로파일[Ω_a(t)]이 얻어진다. 이러한 프로파일은 교류 발전기의 여기 전류(I_e)의 결정에 사용되며, 이는 이하에서 설명될 것이다.

본 발명의 제2 실시예에 의하면, 교류 발전기의 회전 속도의 가능한 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 얻기 위해, 자동차는 탑재된 항법 계산기(7)를 가지는 것이 유용하게 이용된다. 사실상, 계산기는 운행 항로에 대한 예상 항로를 결정하고 진입한 도로(자동차 전용 도로, 고속도로, 일반 도로, 차선 등…)의 특성 및 구간의 길이와 같은 경로 구간 각각에 대한 정보를 제공한다. 그래서, 도로의 특성의 함수로서 미리 설정된 회전 속도(Ω_a) 표를 이용하여 찾고자 하는 프로파일을 계산한다. 게다가, 항법 계산기가 교통 정보 수신기(7')와 연결되어 있는 경우, 도로 구간 각각은 구간 상에서의 교통량에 관한 정보에 영향을 줄 수 있다. 그래서, 각각의 구간 상에서의 가능한 시간과 속도에 대해 단순 비율을 사용하여 교류 발전기의 회전 속도의 가능한 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 얻어낼 수 있다.

교류 발전기의 여기 전류(I_e) 제어를 결정한다. 운행경로 초기[시간 t₀]에, 즉 계산기(1)의 스위칭 온시에, 예를 들면 정지시 개방-회로 전압을 측정하여 배터리(3)의 초기 충전 상태(EDC₀)를 결정한다. 배터리 전류(I_b)의 초기 상태 및 측정으로 하기 식 1에 의한 전체 운행경로동안 배터리(3)의 충전 상태의 변화를 모니터링할 수 있다.

상기 식 1에서,는 I_b가 음의 값일 경우 [배터리는 전기 소모부품(4)으로 전류를 전달함]=1, I_b가 양의 값일 경우(배터리는 교류 발전기에 의해 재충전됨),≤1과 같은 충전 정격을 나타낸다.

계산기(1)는 이상에서 주어진 방법중 하나 또는 2 개의 결합에 의해 교류 발전기(2)의 회전 속도의 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 계산한다.

그리고 나서, 센서(9) 및 측정 수단(14)으로 전기 소모부품(4)에 의해 소모된 전류(I_c)를 측정한다. 운행경로 총기간에 전류(I_c)가 일정하다고 가정하여, 소정의 최적화 전략에 따라 여기 전류(I_e)의 시간 프로파일[I_e(t)]을 결정한다. 예를 들면, Ω_a가 한계치 Ω_idle보다 낮은 경우 I_e가 0이며, Ω_a가 한계치보다 높은 경우 I_e는 교류 발전기에 대한 최대효율을 나타내도록 I_e를 선택할 수 있다. 화살표(a)를 따르는 회전 속도(Ω_k)에 대해 계산기(1)에 저장된 교류 발전기 효율 곡선을 나타내는 도 3에 예시된 바와 같이, 효율이 최대(이 경우, 60%)인 전류(I_ak)를 결정하고, 이에 상응하는 여기 전류(I_ek)가 그로부터 얻어진다. 운행경로 종반에 배터리의 최종 충전 상태(EDC_f)를 결정하기 위해 상기 식 1을 적용하여, 임의의 순간에서의 배터리 전류 I_b=I_a-I_c가 이로부터 유도된다. 이와 같이 하여 얻은 최종 충전 상태가 배터리 정격 충전의 70%와 같이 소정의 최소 값보다 낮은 경우, 효율을 최대로 하면서도[도 3의 화살표 (b), 효율 50%, I'a_k, I'e_k] 높은 교류 발전기에 의해 공급된 전류(I_a)가 계산된 선행의 전류보다 크도록 여기 전류의 시간 프로파일[I_e(t)]을 다시 계산한다. 그래서, 계산된 시간 프로파일[I_e(t)]는 메모리(12)에 저장되며, 제어 수단(15)에 의한 교류 발전기에 적용된다.

프로파일[I_e(t)]은 전기 소모부품(4)에 의해 소모된 전류(I_c)를 재측정하고,배터리의 최종 충전 상태를 다시 계산하여 예를 들면, 5분 간격으로 주기적으로 업데이팅된다.

물론, 본 발명은 기재된 실시예에 의해 제한되지 않으며, 단지 예로서 제시하였다. 교류 발전기의 속도의 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 결정하는 제1 실시예와 유사하게, 선행 운행경로동안 실시된 기록으로부터 전기 소모부품에 의해 소모된 전류 시간 프로파일[I_c(t)]를 결정할 수 있으며, 이러한 프로파일은 예를 들면 자동차 연료 소모 또는 오염 방출과 같은 추가의 기준을 최소화하도록 하면서, 전술한 "시행착오" 방법을 제외한 최적화 방법에 의해 여기 전류 프로파일을 결정하는데 이용될 수 있다.

따라서, 본원 발명은 배터리의 최종 충전 상태가 소정 임계치 이상이 되도록 전체 운행경로에 대한 교류발전기와 엔진의 동작 조건 모두를 고려하여, 교류발전기의 여기 전류를 최적으로 제어할 수 있다는 효과를 가진다.

Claims

내연 엔진을 가진 자동차의 전기 소모부품(4)에 전류를 공급하고 배터리(3)를 재충전시키는 교류 발전기(2)의 제어 방법으로서, 운행경로상의 엔진 및 자동차의 동작 조건에 따라 교류 발전기(2)의 여기 전류(I_e)의 세기를 제어하며, 각각의 운행경로에 대해,

a) 배터리 초기 충전 상태(EDC₀)를 결정하는 단계,

b) 운행경로당 가능한 교류 발전기 회전 속도의 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 계산하는 단계,

c) 전기 소모부품에 의해 소모된 전류(I_c)를 측정하는 단계,

d) 운행경로 종반에 배터리의 최종 충전 상태(EDC_f)가 소정의 한계치 이상이 되도록 교류 발전기의 여기 전류의 최적 시간 프로파일[I_e(t)]을 결정하는 단계,

e) 결정된 전류의 프로파일에 따라 여기 전류(I_e)의 세기를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 운행경로의 전체 기간동안 단계 c) 및 d)를 주기적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 선행의 운행경로에서 실시된 기록으로부터 교류 발전기 회전 속도의 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 자동차에 탑재된 항법 장치(7)에 의해 공급되는 예정된 운행경로에 대한 정보로부터 교류 발전기 회전 속도의 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 고려중인 운행경로 상에서의 교통량에 대한 정보를 추가로 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 교류 발전기의 회전 속도[Ω_a(t)]가 소정의 한계치(Ω_idle)보다 클 경우 교류 발전기의 효율이 최대가 되고, 반대의 경우 여기 전류가 0이 되도록 하는 여기 전류의 최적 시간 프로파일[I_e(t)]을 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법을 실시하기 위한 장치로서,

엔진(5) 및 항법(7)을 관리하는 장치들중 적어도 하나 이상을 구비한 통신수단(13),

배터리(BAT)의 충전 상태(EDC) 및 자동차 전기 소모부품에 전달된 전류(I_c)의 세기를 측정하도록 장착된 측정 수단(14),

- 상기 통신 수단에 의해 전달된 정보로부터 각 운행경로의 초기에 가능한 운행경로에 대한 교류 발전기 회전 속도의 시간 프로파일[Ω_a(t)]을 계산하며,

- 상기 측정 수단에 의해 공급된 정보에 따라, 운행경로의 종반에 배터리의 최종 충전 상태(EDC_f)가 소정의 한계치 이상인 교류 발전기의 여기 전류의 최적 시간 프로파일을 결정하기 위해 장착된 계산 수단(11) 및 저장 수단(12), 및

교류 발전기에 공급된 여기 전류(I_e)의 세기를 제어하는 수단(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.