KR100482604B1 - 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

직렬형 하이브리드 전기 자동차에서 보조 동력장치인 엔진을 통해 전압 발전이 실행되는 경우 냉각수 온도의 모니터링을 통한 능동적인 발전 명령의 제어로 엔진 출력과 발전기 출력의 균형으로 안정성을 제공하도록 하는 것으로,

보조 동력장치에 의한 발전이 진행되면 보조 동력장치의 수온을 검출하여 설정된 기준온도와 비교하는 과정과, 수온이 기준온도 이하이면 현재의 발전 명령을 유지하고, 기준온도 이상이면 맵 테이블의 데이터에 따라 엔진 출력 저감 제어를 수행하며, 엔진 출력 저감 제어에 대응되는 발전 토크 저감 제어를 수행하는 과정 및; 수온이 심각한 엔진 과열 상태인 경우 발전 명령을 리셋함과 동시에 연료 차단으로 시동을 오프하며, 보조 발전장치의 에러 메시지를 출력하는 과정을 포함한다.

Description

직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어장치 및 방법{GENERATION CONTROL APPARATUS OF SERIAL HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 직렬형 하이브리드 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 보조 동력장치인 엔진을 통해 전압 발전이 실행되는 경우 냉각수 온도의 모니터링을 통한 능동적인 발전 명령의 제어로 엔진 출력과 발전기 출력의 균형으로 안정성을 제공하도록 하는 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 직렬형 하이브리드 전기 자동차는 순수 전기 자동차를 기반으로 하여 전기 자동차의 단점을 보완하여 개발된 차량으로, 전기 자동차의 구동 방식을 채택하고 있는 구동장치와 에너지 댐핑 역할을 하는 배터리 및 발전을 담당하는 보조 동력장치로 구성된다.

상기의 보조 동력장치는 통상적으로 연료의 연소를 통해 동력을 발생시키는 엔진이 적용되고 있으나, 가스 터빈이나 연료전지 등이 동력원으로 사용된다.

직렬형 하이브리드 전기 자동차는 구동용으로 전기 모터를 사용하며, 전기 모터 구동을 위한 전압은 보조 동력장치를 통해 공급된다.

직렬형 하이브리드 전기 자동차는 에너지 효율성을 증대시키기 위해 보조 동력장치를 연비/배기 측면에서 최적 운전점에서 작동시키고, 급출발이나 급감속에 대응하기 위해 에너지 댐퍼로 배터리를 사용한다.

또한, 차량의 감속 및 제동시에 전기 모터를 발전기로 전환시켜 발생되는 에너지를 회생제동 알고리즘을 이용하여 에너지를 회수한 다음 배터리에 저장한다.

상기 배터리에 회수된 에너지는 급감속이나 추월로 급격하게 에너지가 필요할 경우, 보조 동력장치의 출력만으로는 요구 파워를 충족하지 못할 때 부족분에 해당하는 전압을 보충해 준다.

이러한 방법을 이용하여 기존 차량에서 연비 및 배기 성능을 떨어뜨리는 구간의 사용을 없애고, 전기 자동차의 장점을 살려 운행하는 것이 직렬형 하이브리드 전기자동차이다.

상기한 보조 동력장치는 연료의 연소를 통해 동력을 발생시키는 엔진으로, 차량이 운행됨에 따라 전기 모터에 전력을 공급하기 위하여 최적 운전점에서 운전되기 때문에 고출력 영역에서 동작하며 지속적인 전압 공급을 위한 발전을 수행하므로 주위 온도 조건에 따라 엔진 과열이 발생하게 된다.

따라서, 엔진제어수단은 엔진 냉각수의 온도를 모니터링하여, 엔진이 과열되는 것을 방지하고 있다.

즉, 모니터링 되는 엔진 냉각수가 일정 온도에 도달하면 일차적으로 연료 분사량을 감소하여 엔진의 출력을 저감시키고, 냉각수의 온도가 설정된 일정 온도 조건으로 떨어지면 연료 분사량을 원상태로 회복하도록 하고 있다.

상기와 같이 일차적으로 연료 분사량을 감소하였는데도 엔진 냉각수 온도가 올라가면 이차 온도 조건영역에서부터 지속적으로 연료 분사량을 감소시켜 엔진 냉각수 온도를 떨어뜨릴 수 있도록 제어한다.

그러나, 발전 제어기에서는 지속적으로 발전량을 얻기 위해서 발전기에 출력하는 토크 명령은 동일하게 유지하여 준다.

따라서, 엔진은 과열로 인하여 점차 낮은 출력을 내고 있는 상태이나 발전기에는 동일한 토크 명령의 입력됨으로 인하여 서로 상이한 출력이 입력되어 RPM이 과도하게 증가되는 오버슈트(Overshoot) 현상이 발생할 수 있으며, 엔진과 발전기의 불균일한 출력 전달로 발전기의 축이 파손되거나 발전기 축과 엔진을 연결하는 댐퍼 플레이트가 손상되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 보조 동력장치인 엔진이 과열되어 과열 방지를 위한 연료 분사량 저감 제어가 수행되면 GCU(Generator Control Unit)에서도 동일하게 발전 전압을 감소시키는 제어 명령이 출력되도록 하여 엔진 출력과 발전기 출력의 균형을 유지시켜 능동적인 발전량 보정과 차량의 안정된 운행 및 보조 동력장치 및 발전장치의 하드웨어적인 파손 발생을 방지하도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 직렬형 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 보조 동력장치에 의한 발전이 진행되면 보조 동력장치의 수온을 검출하여 설정된 기준온도와 비교하는 과정과; 상기에서 수온이 기준온도 이하이면 현재의 발전 명령을 유지하고, 기준온도 이상이면 맵 테이블의 데이터에 따라 엔진 출력 저감 제어를 수행하며, 엔진 출력 저감 제어에 대응되는 발전 토크 저감 제어를 수행하는 과정 및; 수온이 심각한 엔진 과열 상태인 경우 발전 명령을 리셋함과 동시에 연료 차단으로 시동을 오프하며, 보조 발전장치의 에러 메시지를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 엔진 출력 제어 및 발전 토크 제어를 위한 기준온도는 정밀 제어를 위하여 복수개의 온도 범위로 설정하는 것을 특징으로 한다.

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

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 엔진 제어장치는, 보조 동력장치인 엔진(1)과, 상기 엔진(1)과 CAN 통신하여 엔진(1)의 제반적인 동작을 제어하는 ECU(Engine Control Unit ; 2)와, 상기 엔진(1)의 출력축과 기계적으로 연결되어 출력축을 통해 전달되는 회전 동력을 통해 설정된 전압을 발전하는 발전기(3)와, 상기 발전기(3)와 전기적으로 연결되어 발전기(3)에서 공급되는 발전 전압을 설정된 전압 레벨로 승압하는 인터버(4)와, 발전 명령을 제어하는 GCU(5)와, ECU(1)와 BMS(Battery Management System ; 8) 및 MCU(Motor Control Unit)과 CAN(Controller Area Network) 통신으로 제반 정보를 수집하여 상기 GCU(5)의 전압 발전을 제어하는 보조발전 제어기(6)와, 전압을 충전 저장하는 에너지 댐퍼인 배터리(7)와, 배터리(7)의 충전 및 방전 관리, 온도 관리, SOC 관리, 출력 전압 관리 등 배터리에 대한 제반적인 상태를 관리하는 BMS(8)와, 결정되는 전기 모터의 구동 전압원에 따라 배터리(7) 혹은 보조 동력장치로의 경로를 선택하는 PDU(Power Disconnection Unit ; 9) 및 엔진(1) 출력 저감 제어에 따른 발전 토크를 모니터링하여 보정 제어하는 모니터장치(10)로 구성된다.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기 자동차에서 엔진 제어를 수행하는 동작에 대하여 도 2를 참조 설명하면 다음과 같다.

직렬형 하이브리드 자동차의 이그니션 스위치가 온을 유지하는 상태로 주행을 유지하게 되면 GCU(5) 및 ECU(2)의 기능 역시 활성화의 상태를 유지하게 된다 (S201)(S201).

이때, 보조 동력장치인 엔진(1)은 시동 온을 유지하며(S203), 이에 따라 엔진(1)의 출력축과 기계적으로 연결되어 있는 발전기(3)는 엔진(1)의 동력을 전달받아 설정된 전압의 발전을 수행한다(S204).

상기와 같이 보조 동력장치인 엔진(1)이 시동 온을 유지하게 되면 ECU(2)는 도시되지 않은 수온 센서로부터 엔진(1)의 냉각수 온도를 검출하여 설정된 제1기준온도(T1) 이상을 유지하고 있는지를 판단한다(S205).

상기에서 냉각수의 온도가 설정된 제1기준온도(T1) 이하를 유지하는 것으로 판단되면 통상의 발전 제어를 그대로 유지하고(S206), 냉각수의 온도가 설정된 제1기준온도(T1) 이상을 유지하는 것으로 판단되면 온도에 따라 맵핑된 데이터 테이블을 적용하여 1차적으로 연료 분사량을 감소시켜 엔진(1) 출력을 저감시킴으로써 엔진이 과열되지 않도록 한다.

이때, 상기 ECU(2)의 연료 분사량 감소 제어에 대한 정보는 CAN 통신을 통해 보조 발전 제어기(6)에 검출되므로, 보조 발전 제어기(6)는 GCU(5)측에 감소된 연료 분사량에 대응되는 발전 토크 저감 명령을 출력하여 엔진(1)의 출력 토크와 균등한 발전이 수행되도록 제어한다(S207).

상기와 같이 감소된 연료 분사량에 따른 엔진(1) 출력과 대응되는 발전 토크가 제어되는 상태에서 냉각수의 온도 변화와 연료 분사량을 연속적으로 체크하여(S208)(S209), 냉각수의 온도가 제1온도조건, 즉 제1기준온도(T1)에서 설정된 옵셋값(To)을 차한 결과값 보다 작은 값을 유지하는지를 판단한다(S210).

상기에서 냉각수의 온도가 제1온도조건(T1-To) 보다 작은 값을 유지하는 것으로 판단되면 상기 S205의 루틴으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 제1온도조건 보다 큰 값을 유지하는 것으로 판단되면 ECU(2)는 맵핑된 데이터 테이블에 따라 2차적으로 연료 분사량을 감소시켜 엔진(1) 출력을 저감시킴으로써 엔진이 과열되지 않도록 한다.

이때 역시 상기 ECU(2)의 연료 분사량 감소 제어에 대한 정보는 CAN 통신을 통해 보조 발전 제어기(6)에 검출되므로, 보조 발전 제어기(6)는 GCU(5)측에 2차적으로 감소된 연료 분사량에 대응되는 발전 토크 저감 명령을 출력하여 엔진(1)의 출력 토크와 균등한 발전이 수행되도록 제어한다(S211).

상기와 같이 2차적인 연료 분사량 감소 제어에 따른 엔진(1) 출력과 대응되는 발전 토크가 제어되는 상태에서 냉각수의 온도 변화와 연료 분사량을 연속적으로 체크하여(S212), 냉각수의 온도가 제2온도조건, 즉 제2기준온도(T2)에서 설정된 옵셋값(To)을 차한 결과값 보다 작은 값을 유지하는지를 판단한다(S213).

상기 S213의 판단에서 냉각수의 온도가 제2온도조건(T2-To) 보다 작은 값을 유지하는 것으로 판단되면 상기 S210의 루틴으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 제2온도조건(T2-To) 보다 큰 값을 갖는 것으로 판단되면 냉각수의 온도가 설정된 제3기준온도(T3) 보다 큰 값을 갖는지를 판단한다(S214).

상기에서 냉각수의 온도가 제3기준온도(T3) 이하를 유지하는 것으로 판단되면 상기 2차적인 연료 분사량 감소 제어의 상태를 유지하고, 제3기준온도(T3) 이상을 유지하는 것으로 판단되면, 엔진(1)이 심각한 상태로 과열되어 있는 것으로 판단하여 발전 명령을 초기화시킴과 동시에 연료 분사를 차단하고(S215)(S216), 보조 발전장치의 에러 발생을 메시지로 출력하여 준다(S217).

따라서, 엔진(1)이 과열될 경우 ECU(2)의 연료 분사량을 단계적으로 감소시키는 엔진 과열 방지 로직과 더불어 GCU(5)에서도 엔진(1)의 출력 토크 감소와 동일하게 발전 명령을 감소시킴으로써, 보조 발전장치의 능동적인 제어가 수행된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 냉각수의 온도 변화에 따라 가변되는 엔진 출력과 발전 명령의 균형을 유지하여, 능동적인 발전량 보정으로 차량의 안정적인 운행이 유지된다.

또한, 엔진 출력과 발전기 출력의 균형으로 하드웨어적인 파손이 방지되고, 안정적인 발전을 통해 어떠한 주변 환경에서도 차량의 파손 및 고장 없는 운행을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어장치에 대한 개략적인 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 직렬형 하이브리드 전기 자동차에서 발전 제어를 수행하는 일 실시예의 흐름도.

Claims (4)

1. 직렬형 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

   보조 동력장치인 엔진과;

   상기 엔진의 제반적인 동작을 제어하며, 엔진의 냉각수 온도에 따라 과열 방지 제어를 수행하는 ECU와;

   상기 엔진의 출력축과 기계적으로 연결되어 전달되는 회전 동력을 통해 설정된 전압을 발전하는 발전기와;

   상기 발전기에서 공급되는 전압을 설정된 레벨로 승압하는 인터버와;

   상기 발전기의 전압 발전을 제어하는 GCU와;

   전압을 충전 저장하는 에너지 댐퍼인 배터리와;

   상기 배터리의 제반적인 상태를 관리하는 BMS와;

   상위 제어기에서 인가되는 신호에 따라 전기 모터의 구동 전압원을 배터리 혹은 보조 동력장치로의 선택하는 PDU를 포함하며,

   상기 ECU와 BMS 및 MCU와 통신하여 수집되는 정보에 따라 ECU의 엔진 출력 토크 제어와 균형이 유지되는 발전 토크를 제어하는 보조발전 제어기 및;

   엔진 출력 토크 변화와 발전 토크 변화를 모니터링하여 보정명령을 출력하는 모니터장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보조발전 제어기는 엔진 과열로 인하여 연료 분사량 저감 제어가 수행되는 경우 GCU를 통해 이에 대응되는 값으로 발전 토크 저감 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어장치.
3. 직렬형 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

   보조 동력장치에 의한 발전이 진행되면 보조 동력장치의 수온을 검출하여 설정된 기준온도와 비교하는 과정과;

   상기에서 수온이 기준온도 이하이면 현재의 발전 명령을 유지하고, 기준온도 이상이면 맵 테이블의 데이터에 따라 엔진 출력 저감 제어를 수행하며, 엔진 출력 저감 제어에 대응되는 발전 토크 저감 제어를 수행하는 과정 및;

   수온이 심각한 엔진 과열 상태인 경우 발전 명령을 리셋함과 동시에 연료 차단으로 시동을 오프하며, 보조 발전장치의 에러 메시지를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 엔진 출력 제어 및 발전 토크 제어를 위한 기준온도는 정밀 제어를 위하여 복수개의 온도 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 직렬형 하이브리드 전기 자동차의 발전 제어방법.