KR100456851B1 - 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치 - Google Patents

직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력장치 부하단으로 적절한 파워를 공급할 수 있는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치에 관한 것이다. 본 발명은 직렬형 하이브리드 전기 차량용 보조 동력장치의 제어를 통해 보조 동력장치 부하단으로 적절한 파워를 공급하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치에 있어서, 상기 직렬형 하이브리드 전기 차량의 엔진의 기계적 동력을 전기적 에너지로 변환시키는 직류 발전기와; 복수개의 전력용 반도체 소자를 포함하여 상기 직류 발전기로부터 발생하는 직류를 교류로 변환하는 직교 변환부와; 외부로부터 공급되는 전압 지령의 입력에 따라 상기 직교 변환부로 직류 발전기 토크 지령을 발생하는 발전기 제어부와; 상기 직류 발전기를 통해 입력되는 엔진 회전수 신호를 기준으로 엔진 제어부(ECU)에 엔진 스로틀 지령을 공급하며, 전압 지령을 생성하여 상기 발전기 제어부로 공급하는 보조 동력장치 제어기를 포함하여 구성한다.

Description

직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치{AUXILIARY POWER UNIT CONTROLLING DEVICE OF SERIES HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 직렬형 하이브리드 차량에 관한 것으로서, 특히 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치에 관한 것이다.
도 1은 기존의 직렬형 하이브리드 전기 차량(SHEV ; Series Hybrid Electric Vehicle)의 시스템 구성을 도시한 것이다.
기존의 직렬형 하이브리드 전기 차량은 엔진(111)(ICE)의 기계적 동력을 유도 발전기(113)(IM)와 인버터(115)(GCU Inverter)를 이용하여 전기적 에너지로 변환시킨다.
그리고, 이를 배터리(120)에 저장하거나 또는 구동 모터용 인버터(130), 모터 제어부(140)(MCU ; Motor Control Unit)와 구동 모터(150)(Traction Motor)를 이용 기계적 에너지로 변환한 후 바퀴에 차량의 구동력을 발생시킨다.
도 1의 점선 블록을 보조 동력장치(110)(APU ; Auxiliary Power Unit)라고 일컬으며, 이는 순시적으로 차량에서 요구되는 파워(Power) 그리고, 배터리(120)의 충전량 및 방전량을 일정 범위 내에 존재하도록 관리하는데 가장 큰 목적이 있다.
기존 보조 동력장치(110)의 제어방식은 차량 제어부(160)(VCU ; Vehicle Control Unit)가 운전자의 지령을 바탕으로 보조 동력장치 제어기(170)(APU Controller)에 파워 커맨드(Power Command)를 전달하고, 이 지령과 배터리 관리 시스템(180)으로부터 배터리의 충전상태(SOC)를 입력받아 보조 동력장치 제어기(170)는 하위 제어기인 엔진 제어부(117)(ECU)에 엔진 스로틀 지령을 생산하고 발전기 제어부(119)(GCU ; Generator Control Unit)에 발전기 토크 지령을 생성한다.
도 2는 발전기 제어부(119)(GCU) 내부 구성을 도시한 제어 블록도이다.
외부로부터의 토크 지령에 따라 우선 디커플러(119-1)(Decoupler)를 통하여이를 유도 발전기(113)의 토크분 전류 지령과 자속분 전류 지령이 생성되고 각각이 토크분 전류 제어기(119-2)(Torque Current Control)와 자속분 전류 제어기(119-3)(Flux Current Control)로 입력된다.
토크분 전류 제어기(119-2)와 자속분 전류 제어기(119-3)의 출력은 펄스 폭 변조 발생기(119-4)(PWM Generator)로 입력되어 원하는 크기의 전압을 생성시키기 위한 발전기 제어부(119)(GCU) 인버터용 게이팅 신호를 발생하여 인버터(115)로 전달된다.
종래의 보조 동력장치 제어 시스템은 제어 측면에서 2개의 입력 정보(배터리 충전상태, 파워 커맨드)를 바탕으로 2개의 출력(스로틀 지령, 토크 지령)이 생성되는 멀티 입출력(MIMO ; Multi Input/Multi Output) 제어 시스템이다.
따라서, 보조 동력장치 제어 시스템의 출력은 유일하게 결정되기 어렵고, 유일한 출력쌍을 구성하기 위해서는 상위의 또 다른 알고리즘이 필요하다.
또한, 엔진(111)과 유도 발전기(113)를 동시에 제어해야 하고, 각각의 동특성이 상이하기 때문에 이들을 실시간으로 제어하기 위한 제어 전략이 복잡해지고 많은 시행착오가 따르는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력장치 부하단으로 적절한 파워를 공급할 수 있는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 직렬형 하이브리드 전기 차량의 보조 동력 제어 시스템 구성을 도시한 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 발전기 제어기 내부 구성을 도시한 제어 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기 차량의 보조 동력 제어 시스템 구성을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전기 제어부(GCU) 내부 구성을 도시한 제어 블록도.
도 5는 본 발명의 실시예에서 직류 발전기에 공급되는 전압의 크기에 따른 직류 발전기의 속도 및 출력 토크 특성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에서 보조 동력 제어장치의 출력 지령 추종 알고리즘에 대한 설명을 위한 도면.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 직렬형 하이브리드 전기 차량용 보조 동력장치의 제어를 통해 보조 동력장치 부하단으로 적절한 파워를 공급하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치에 있어서, 상기 직렬형 하이브리드 전기 차량의 엔진의 기계적 동력을 전기적 에너지로 변환시키는 직류 발전기와; 복수개의 전력용 반도체 소자를 포함하여 상기 직류 발전기로부터 발생하는 직류를 교류로 변환하는 직교 변환부와; 외부로부터 공급되는 전압 지령의 입력에 따라 상기 직교 변환부로 직류 발전기 토크 지령을 발생하는 발전기 제어부와; 상기 직류 발전기를 통해 입력되는 엔진 회전수 신호를 기준으로 엔진 제어부(ECU)에 엔진 스로틀 지령을 공급하며, 전압 지령을 생성하여 상기 발전기 제어부로 공급하는 보조 동력장치 제어기를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기 차량의 보조 동력 제어 시스템 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 직렬형 하이브리드 전기 차량(SHEV ; Series Hybrid Electric Vehicle)용 보조 동력장치(APU ; Auxiliary Power Unit)의 제어를 통해보조 동력장치 부하단(배터리 및 구동모터)으로 적절한 파워를 공급하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치에 있어서, 직류 발전기(310)(DC Generator), 직교 변환부(320), 발전기 제어부(330)(GCU ; Generator Control Unit), 보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)를 포함하여 구성한다.
직류 발전기(310)는 직렬형 하이브리드 전기 차량의 엔진(300)으로부터 발생한 기계적 동력을 전기적 에너지로 변환시킨다.
직교 변환부(320)는 복수개의 전력용 반도체 소자를 포함하여 이루어지며, 직류 발전기(310)로부터 발생하는 직류를 교류로 변환하는 발전기 제어용 쵸퍼(GCU Chopper)로 구성한다.
여기서, 쵸퍼(Chopper)는 직류 증폭기에 필요한 것으로 직류를 교류로 변환하는 직교 변환 회로를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 복수개의 전력용 반도체 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하며, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)의 개수는 도 3에 도시된 바와 같이 4개로 구성한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 직교 변환부(320)를 적용함으로써 전력용 반도체 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 기존의 6개에서 4개로 감소시킬 수 있으며, 직류 발전기(310)의 제어는 안정성 측면에서 유리하다.
발전기 제어부(330)(GCU)는 보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)로부터 공급되는 전압 지령(Voltage Command)의 입력에 따라 직교 변환부(320)로 직류 발전기(310)의 출력을 제어하도록 토크 지령(Torque Command)을 공급한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전기 제어부(330)(GCU) 내부 구성을 도시한 제어 블록도이다.
도 4를 참조하면, 발전기 제어부(330)(GCU)는 직교 변환부(320)로부터 배터리 전압을 피드백(Feedback)하여 직류 전압 제어기(332)(DC Voltage Control)로 입력시키고 펄스 폭 변조 발생기(334)(PWM Generator)로 입력되어 원하는 크기의 전압을 생성시키기 위한 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 발생시켜 직류 발전기(310)에 공급되는 전압을 조절할 수 있는 구성으로 이루어진다.
보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)는 직류 발전기(310)를 통해 입력되는 엔진 회전수 신호를 기준으로 엔진 제어부(350)(ECU)에 엔진 스로틀 지령을 공급하며, 전압 지령(Voltage Command)을 생성하여 발전기 제어부(330)(GCU)로 공급한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 제어 지령으로는 기존의 발전기 제어부(330) (GCU)로 토크 지령(Torque Command)을 입력시키는 것과는 달리 전압 지령(Voltage Command)을 보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)가 생성하여 발전기 제어부(330)(GCU)로 입력한다.
보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)는 엔진(300)의 회전속도가 미리 설정된 최고 속도(Wmax)에 도달하면 엔진(300)의 스로틀(Throttle)은 일정하게 유지하고 직류 발전기(310)의 전압을 증가하도록 해당되는 제어동작을 수행한다.
이와는 반대로 보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)는 엔진(300)의 회전속도가 미리 설정된 최저 속도(Wmin)에 도달하면 직류 발전기(310)의 전압은일정하게 유지하고 엔진(300)의 스로틀을 조절하여 속도와 출력을 상승시키도록 해당되는 제어동작을 수행한다.
한편, 본 발명의 실시예는 외부로부터 입력되는 신호를 통해 보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)에 파워 커맨드(Power Command)를 전달하는 차량 제어부(360)(VCU ; Vehicle Control Unit)를 더 포함하여 구성한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 직렬형 하이브리드 전기 차량용 보조 동력장치 부하단으로 적절한 파워를 공급하기 위한 제어장치 구성을 간단하게 구성할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 종래의 유도 발전기를 제거하고 직류 발전기(310)로 대체하며 인버터 대신 직교 변환부(320)를 적용할 수 있다.
도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 직렬형 하이브리드 전기 차량의 보조 동력 제어장치의 동작을 설명한다.
도 5는 직류 발전기(310)에 공급되는 전압의 크기에 따른 직류 발전기(310)의 속도(Speed) 및 출력 토크(Torque) 특성 곡선이다.
도 5를 참조하면, 직류 발전기(310)의 출력은 속도에 따른 2차 함수 형태임을 알 수 있다.
여기서, 각각의 전압 V1, V2, V3의 크기는 V1<V2<V3 이며, 직류 발전기(310)는 전압이 증가할수록 동일한 속도에서 더 큰 토크를 발생시킴을 알 수 있다.
도 6은 보조 동력 제어장치의 출력 지령 추종 알고리즘에 대한 설명을 위한 것이다.
엔진(300)의 연배기 특성을 고려하여 최저 속도(Wmin)와 최고 속도(Wmax)를 선정하고 이에 따라 출력의 최소값(Pmin)과 최대값(Pmax)이 결정된다.
본 발명의 실시예에서는 현재 보조 동력장치의 운전점이 도 6의 [A]라고 하고 하위 제어기의 지령에 따라 운전점 [B]로 이동시켜야 한다고 할 때, 도 6에서 보이고 있는 궤적을 따라 직류 발전기(310)의 출력과 엔진(300)의 회전속도를 제어하는 알고리즘을 제안한다.
예를 들어, 도 6에서 운전점이 천이되는 과정 중 오른쪽으로 진행될 때(속도 증가 방향) 보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)는 직류 발전기(310)에 공급되는 전압을 일정하게 유지한 상태에서 엔진(300)의 회전 속도를 증가시킴으로 출력을 증가시킨다.
또한, 엔진(300)의 회전 속도가 이미 설정해 놓은 최고 속도(Wmax)에 도달하면 보조 동력장치 제어기(340)(APU Controller)는 엔진(300)의 스로틀(Throttle)을 일정하게 유지하고 직류 발전기(310)의 전압을 증가시킴으로써 보조 동력장치의 출력을 증가시킨다.
이때 엔진(300)의 회전 속도는 도 6의 왼쪽 방향으로 운전점이 천이됨에 따라 감소하게 된다.
엔진(300)의 회전 속도가 기설정된 최저 속도(Wmin)에 도달하면 다시 전압은 일정하게 유지하고 엔진(300)의 스로틀을 조절하여 엔진(300)의 회전 속도와 출력을 상승시킨다.
이러한 과정을 반복함으로써 최종 운전점 [B]로 수렴하도록 한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 기존의 멀티 입출력(MIMO ; Multi Input/Multi Output) 제어 시스템을 싱글 입출력(SISO ; Single Input/Single Output) 시스템으로 바꿈으로써, 엔진(300)에 기인되는 보조 동력장치의 연배기 특성의 악화를 최소화 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치는 엔진에 기인되는 보조 동력장치의 연배기 특성의 악화를 최소화하면서 제어의 안정성을 향상시킬 수 있고, 제어의 튜닝을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 직렬형 하이브리드 전기 차량용 보조 동력장치의 제어를 통해 보조 동력장치 부하단으로 적절한 파워를 공급하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치에 있어서,
    상기 직렬형 하이브리드 전기 차량의 엔진의 기계적 동력을 전기적 에너지로 변환시키는 직류 발전기와;
    복수개의 전력용 반도체 소자를 포함하여 상기 직류 발전기로부터 발생하는 직류를 교류로 변환하는 직교 변환부와;
    전압 지령의 입력에 따라 상기 직교 변환부로 직류 발전기 토크 지령을 발생하는 발전기 제어부와;
    상기 직류 발전기를 통해 입력되는 엔진 회전수 신호를 기준으로 엔진 제어부(ECU)에 엔진 스로틀 지령을 공급하며, 전압 지령을 생성하여 상기 발전기 제어부로 공급하는 보조 동력장치 제어기와;
    상기 보조 동력장치 제어기에 파워 커맨드(Power Command)를 전달하는 차량 제어부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 전력용 반도체 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연 게이트 양극성 트랜지스터의 개수는 4개로 구성하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 보조 동력장치 제어기는 엔진의 회전속도가 미리 설정된 최고 속도(Wmax)에 도달하면 엔진의 스로틀(Throttle)은 일정하게 유지하고 직류 발전기의 전압을 증가하도록 해당되는 제어동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 동력장치 제어기는 엔진의 회전속도가 미리 설정된 최저 속도(Wmin)에 도달하면 직류 발전기의 전압은 일정하게 유지하고 엔진의 스로틀을 조절하여 속도와 출력을 상승시키도록 해당되는 제어동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 차량의 보조 동력 제어장치.
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