KR100460884B1 - 하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치 - Google Patents

하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치 Download PDF

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Abstract

직렬형 하이브리드 전기자동차에서 발전기 제어유닛의 구조를 단순화시켜 제조 원가를 절감하고, 승압용 스위치의 다이오드 정류기에 의한 루프의 형성으로 안정된 출력 전압이 유지되도록 하며, 고속 영역에서 효율적인 발전 제어가 가능하도록 한 것으로,
엔진의 동력에 의해 보조 동력원을 발생시키는 발전기와 주 동력원인 배터리를 구비하는 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 상기 발전기에서 출력되는 3상 전류의 각 상과 접속되며, 입력되는 3상 전류를 순방향으로 출력하는 복수개의 정류수단과; 상기 발전기의 출력 전압이 배터리의 전압 보다 큰 상태를 유지하는 경우 도통되어 발전 전압을 배터리에 충전 전압으로 공급하는 제1스위치수단과; 상기 발전기의 출력 전압이 배터리의 전압 보다 작은 상태를 유지하는 경우 발전 전압의 승압을 위해 상위 프로세서에 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되는 제2스위치수단을 포함한다.

Description

하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치{GENERATION OF ELECTRICITY CONTROL SYSTEM ON HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 엔진 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전기 제어유닛의 구조를 단순화시켜 제조 원가를 절감하고, 승압용 스위치의 고장시 다이오드 정류기에 의한 루프의 형성으로 안정된 출력 전압이 유지되도록 하며, 고속 영역에서 효율적인 발전 제어가 가능하도록 한 하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치에 관한 것이다.
엔진 하이브리드 전기 자동차는 자가 발전을 위한 가솔린 엔진과 차량 주행을 위한 전동기의 구동원으로 구성되며, 각각의 주행상황에 대응하여 엔진의 연비가 가장 높게 운전되도록 제어되고 제동시와 감속시에 운동 에너지를 전기 에너지로 회수함으로써 기존 가솔린 엔진에 비해 연비 향상을 이룰 수 있으며 시내구간에서 엔진 시동을 오프한 상태로 주행할 수 있어 환경 친화적인 미래형 자동차로 개발되고 있으며, 상용화의 단계에 있다.
일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력 전달 시스템은 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 자가 발전을 위한 동력을 발생시키는 엔진(1)과, 상기 엔진(1)의 제반적인 동작을 제어하는 ECU(Electrical Control Unit ; 2)와, 엔진(1)의 동력에 의해 전압을 발생시키는 발전기(3)와, 발전기(3)의 속도 제어와 엔진(1)의 출력 토오크를 제어하여 발전량을 제어하는 발전기 제어기(4)와, 시스템의 급작스런 부하의 상승이나 시스템 다운시 발전기(3)와 배터리(6)간의 전력 공급을 단속하여 각 제어기 및 배터리를 보호하는 제1PDU(Power Disconnection Unit ;5)와, 배터리(6)의 방전전압에 의해 구동되어 하이브리드 전기자동차의 구동력을발생시키는 전동기인 구동모터(9)와, 상기 구동모터(9)의 구동에 대한 토크와 속도 및 회생 제동 토크 등을 제어하는 모터 제어기(8)와, 시스템의 급작스런 부하의 상승이나 시스템 다운시 배터리(6)와 모터 제어기(8)간의 전력 공급을 단속하여 시스템을 보호하는 제2PDU(7)와, 구동모터(9)의 회전력을 설정비 감속비로 감속한 다음 차동기어(11)를 통해 구동휠(12)에 전달하는 감속기(10)로 구성된다.
상기한 구성 이외에 배터리(6)의 온도와 전압, 전류 충전상태 등을 모니터링하여 그에 대한 정보를 발전기 제어기(4) 및 모터 제어기(8)측에 제공하는 BMS와 운전 정보를 상호 교환하는 드라이버 인터페이스 및 제반적인 정보를 표시하는 클러스터 등이 더 포함된다.
상기에서 보조 동력원으로 장착되는 엔진(1)은 가솔린 엔진 혹은 디젤 엔진 등 모든 내연기관이 적용가능하며, 발전기는 3상 유도 발전기 또는 영구자석형 동기 발전기가 적용될 수 있으며, 효율적인 측면을 고려하여 영구 자석형 동기 발전기를 적용하는 것이 바람직하다.
상기에서 발전기(3)는 별도의 전원이 공급되지 않더라도 엔진(1)의 동력에 의해 회전하게 되면 회전 속도에 비례하는 전압(크기와 주파수)이 발생하게 되므로, 발전기의 순시 토크를 제어하기 위해서는 발전기의 계자와 토크분 전류를 발전기(3)의 회전속도, 현재 배터리 전압 등을 고려하여 제어되어야 한다.
상기한 구성의 직렬형 하이브리드 전기자동차는 엔진(1)의 동력에 의해 발전기(3)가 3상 교류 전원을 발생하며, 발생된 전원은 발전기 제어기(4)의 제어에 따라 안정장치인 제1PDU(5)를 통해 배터리(6)측에 충전된다.
또한, 상기 배터리(6)에 충전된 직류 전압은 제2PDU(7)를 통해 모터 제어기 (8)내의 도시되지 않은 인버터에 공급되어 3상으로 변환된 다음 구동모터(9)에 공급되어 구동모터(9)가 구동되며, 감속기(10)에 의해 소정의 비로 감속되어 차동기어(11)를 통해 구동 휠(12)에 전달됨으로써 하이브리드 전기자동차가 주행된다.
상술한 도 1의 동력 전달 시스템에서 엔진(1)에서 배터리(6)로 연결되는 보조 동력원의 구성을 간략하게 정리하면 도 2와 같은 구조로 도시된다.
상기에서 발전기 제어기(4)내의 GCU(Generation Control Unit ; 4a)는 발전기(3)에서 출력되는 3상 교류 전압을 처리하여 배터리(6)측에 충전 전압으로 공급시키기 위하여 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티 제어신호에 따라 스위칭이 수행되는 IGBT 스위칭 소자인 3상 전 브리지 인버터(3 Phase Full Bridge Inverter)를 채택하여 적용하고 있다.
따라서, 도면에서 알 수 있는 바와 같이 GCU를 구현함에 있어 고가인 6개의 스위칭 소자와 역병렬 다이오드가 필요하게 되어 하드웨어의 복잡성과 가격의 상승을 초래하게 되고, 스위치 소자 또는 다이오드 하나만이라도 손상되는 경우 발전기의 정상적인 토크 제어가 불가능한 문제점이 발생한다.
또한, 발전기인 영구 자석형 전동기의 회전 기전력이 배터리 전압 보다 높게 형성되는 고속 영역에서 약계자 제어를 수행하여야 하나, 제어의 실패시 발전기 토크의 제어가 불가능한 문제점이 있으며, 발전기의 자속분 전류와 토크분 전류를 각각 제어하여야 하는 벡터 제어가 수반되므로 제어의 복잡성이 증대되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 발전기 제어 유닛의 구조를 다이오드 정류기로 간단하게 구성하여 하드웨어의 단순화를 제공하고, 승압용 스위치가 고장이 발생하는 경우에도 다이오드 정류기에 의해 출력 전압이 유지되도록 하며, 모터의 토크 제어와 고속 영역에서 수행되어지는 약계자 제어를 배제시켜 제어에 있어 간편성을 제공하도록 한 것이다.
도 1은 일반적인 직렬형 하이브리드 전기자동차의 동력 전달 시스템 구성도.
도 2는 종래의 하이브리드 전기자동차에서 발전 제어장치에 대한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에 대한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기의 회전 기전력을 고려한 등가 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기와 다이오드 정류기의 등가 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기 정류단 전압이 배터리 전압 보다 높은 경우에서의 전압 패스를 나타난 동작 상태도.
도 7은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기 정류단 전압이 배터리 전압 보다 낮은 경우 전압 패스를 나타낸 동작 상태도.
도 8은 본 발명에 따른 전기자동차의 발전 제어장치에서 발전기 정류단 전압이 배터리 전압 보다 낮은 경우 승압된 전압의 패스를 나타낸 동작 상태도.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 엔진의 동력에 의해 보조 동력원을 발생시키는 발전기와 주 동력원인 배터리를 구비하는 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 상기 발전기에서 출력되는 3상 전류의 각 상과 접속되며, 입력되는 3상 전류를 순방향으로 출력하는 복수개의 정류수단과; 상기 발전기의 출력 전압이 배터리의 전압 보다 큰 상태를 유지하는 경우 도통되어 발전 전압을 배터리에 충전 전압으로 공급하는 제1스위치수단과; 상기 발전기의 출력 전압이 배터리의 전압 보다 작은 상태를 유지하는 경우 발전 전압의 승압을 위해 상위 프로세서에 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되는 제2스위치수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 발전기 제어 유닛(140)은 발전기(120)에서 출력되는 3상 전류의 각 상과 접속되며, 입력되는 각 상의 전류를 순방향으로 출력하는 복수개의 다이오드(D11 ~ D16)와, 복수개의 다이오드(D11 ~ D16)와 순방향으로 접속되어, 발전기(120)의 출력 전압이 배터리(180)에 충전되어 있는 전압 보다 큰 상태를 유지하는 경우 발전기(120)의 출력 전압을 안전장치인 PDU(160)를 통해 배터리(180)에 전달하는 다이오드(D2)와, 상기 다이오드(D2)의 애노드 단자와 상기 다이오드(D11,D12,D13)의 캐소드 단자의 사이에 컬렉터 단자가 병렬로 접속되고, 상기 다이오드(D14,D15,D16)의 애노드 단자에 에미터 단자가 병렬로 접속되어, 발전기(120)의 출력 전압이 배터리(180)에 충전되어 있는 전압 보다 작은 상태를 유지하는 경우 상위 프로세서에 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭되어 승압을 위해 레귤레이팅되는 트랜지스터(T1) 및 다이오드(D1)로 구성된다.
상기에서 발전기(120)의 회전 기전력을 교류 전원으로 등가화한 등가모델은 도 4와 같이 각 상(A,B,C)별로 구현된다.
상기에서 발전기(120)에서 발생되는 각 상별(A,B,C) 교류 기전력은 다이오드 (D11~D16)에서 평활되므로, 발전기(120)와 제어 유닛(140)내의 디이오드(D11-D16)를 등가화하면 도 5와 같이 구현된다.
도면에서 알 수 있는 바와 같이 발전기(120)에서 발생되는 교류 전압은 다이오드(D11~D16)에 의해 정류되어 직류 전압으로 변환된 다음 원하는 크기의 직류 전압으로 변환하는 방식으로 구현되어 진다.
상기한 도 5의 등가모델을 통해 발전기(120)의 발전 전압을 배터리(180)에 저장하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 발전기(120)의 정류단 전압이 배터리(180)의 충전 전압 이상인 경우에 대한 동작은 다음과 같다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 발전기(120)의 정류단 전압이 배터리(180)의 충전 전압 이상인 상태이면 발전기(120)의 정류단 전압이 다이오드(D2)를 도통시켜 배터리(180)로 공급되므로, 배터리(180)의 충전이 수행되어 진다.
즉, 발전기(120) →다이오드(D2) →배터리(180) →발전기(120)로 이어지는 전압의 폐 루프가 형성된다.
이때, 발전기(120) 정류단의 전압이 별도의 승압을 위한 레귤레이팅 작용이 수반되지 않아도 배터리(180)에 충전 전압을 공급할 수 있는 상태이므로, 트랜지스터(T1)는 스위칭 오프의 상태를 유지한다.
이와 반대의 경우, 발전기(120)의 전류단 전압이 배터리(180)의 전압 보다 낮은 상태를 유지하는 경우 정류단 전압이 배터리(180)에 충전 전압으로 공급할 수 없는 상태이므로 전류단 전압의 승압이 이루어져야 한다.
따라서, 도 7에서 알 수 있는 바와 같이 상위 프로세서의 제어에 따라 발전 제어 유닛(140)내의 트랜지스터(T1)는 스위칭 온 상태를 유지하므로, 발전기(120)의 정류단 전압은 스위칭 온을 유지하고 있는 트랜지스터(T1)를 통해 발전기(120)내의 고정자인 인덕터(L)에 인가되며, 인덕터(L)를 도통하는 전류는 증가되어 에너지로 저장된다.
즉, 발전기(120) 정류단 →트랜지스터(T1) →발전기(120)로 궤환하는 페루프가 형성되어 출력 전압의 승압이 이루어진다.
상기와 같이 발전기(120)내의 고정자가 인덕터(L)로 작용하여 배터리(180)의 전압 이상으로 승압되면 상위 프로세서의 제어에 따라 트랜지스터(T1)가 오프되므로, 첨부된 도 8과 같이 발전기(120)의 정류단 전압이 다이오드(D1)를 통해 배터리(180)측에 충전전압으로 공급된다.
즉, 발전기(120) →다이오드(D2) →배터리(180) →발전기(120)로 이어지는전압의 폐 루프가 형성된다.
따라서, 간단한 발전 제어 유닛의 구조를 통해 발전기(120)의 전압을 배터리(180)에 충전전압으로 공급 제어하여 하이브리드 전기자동차의 운행에 있어 안정성이 제공된다.
또한, 다이오드 정류기를 이용한 발전기의 3상 교류 전류를 안정되게 처리하며, 고속 운전 영역에서 별도의 약계자 제어 및 토크 제어가 수반되지 않아 제어에 편리성이 제공된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다이오드 정류기를 이용한 3상 교류 발전 전압을 직류로 변환시켜 배터리에 공급하고, 발전 전압이 낮은 상태에서 레귤레이팅을 통한 승압으로 충분한 전압으로 승압한 다음 배터리에 충전 전류로 공급하여 충전 제어에 안정성이 제공된다.
또한, 제어기를 간단한 구조로 하여 수리 복구 및 제작에 간편성 및 저가의 생산성을 구현하고, 승압용 스위치가 고장이 발생하는 경우 출력 전압의 유지가 가능하여 안정성이 제공된다.
또한, 고속 영역에서 별도의 약계자 제어가 수반되지 않아 발전 제어에 있어 간편성이 제공된다.

Claims (4)

  1. 엔진의 동력에 의해 보조 동력원을 발생시키는 발전기와 주 동력원인 배터리를 구비하는 하이브리드 전기 자동차에 있어서,
    상기 발전기에서 출력되는 3상 전류의 각 상과 접속되며, 입력되는 3상 전류를 순방향으로 출력하는 복수개의 정류수단과;
    복수개의 정류수단과 순방향으로 접속되어, 발전기의 출력 전압이 배터리에 충전되어 있는 전압 보다 큰 상태를 유지하는 경우 도통되어 발전기의 발전 전압을 PDU를 통해 배터리에 충전 전압으로 공급하는 다이오드로 이루어지는 제1스위치수단과;
    상기 제1스위치수단과 상기 복수개 정류수단의 일측단 사이에 컬렉터 단자가 병렬로 접속되고, 에미터 단자가 상기 복수개 정류수단의 다른 일측단에 병렬로 접속되어, 발전기의 출력 전압이 배터리에 충전되어 있는 전압 보다 작은 상태를 유지하는 경우 상위 프로세서에 인가되는 PWM 제어신호에 따라 스위칭되는 트랜지스터로 이루어지는 제2스위치수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 정류수단은 브리지 정류기 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1스위치수단은 임계전압을 기준으로 하여 스위칭되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 발전 제어장치.
  4. 삭제
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